鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見問題分析

駱繼龍

（浙江振豐建筑設(shè)計(jì)有限公司，杭州310000）

1 高層結(jié)構(gòu)分類

高層建筑結(jié)構(gòu)主要是以鋼筋混凝土為主，我國常見的鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)有框架結(jié)構(gòu)體系、剪刀墻結(jié)構(gòu)體系、簡體結(jié)構(gòu)等。

1.1 框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)體系的最大特點(diǎn)是豎向荷載和水平荷載均由梁、柱承擔(dān)，充分發(fā)揮混凝土的抗壓強(qiáng)度和鋼筋的抗拉強(qiáng)度，此種框架結(jié)構(gòu)在多層公共建筑中最常用，一般不用于超高層建筑。框架結(jié)構(gòu)的布置有很多細(xì)節(jié)需要注意，例如，傳力途徑的直接、結(jié)構(gòu)的均衡及結(jié)構(gòu)的美觀等?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在進(jìn)行布置時(shí)傳統(tǒng)多采用主次梁法，近年來逐步向扁梁與無梁樓蓋方向發(fā)展。除此之外，框架柱的設(shè)計(jì)是非常重要的一方面，它要承受豎向與橫向應(yīng)力，特別是有抗震要求時(shí)要注意柱子的構(gòu)造要求和“強(qiáng)柱弱梁”的概念設(shè)計(jì)【1】。

1.2 剪刀墻結(jié)構(gòu)體系

剪刀墻結(jié)構(gòu)體系在高層結(jié)構(gòu)中較為常見，與框架結(jié)構(gòu)體系不同，它是以建筑物墻體作為豎向承重與側(cè)力抵抗的一種體系。一般情況下，剪刀墻間距為2～7m，因此，采用此種結(jié)構(gòu)類型的建筑一般為旅店、住宅等橫墻較密的建筑。剪力墻結(jié)構(gòu)體系施工主要材料依然為鋼筋混凝土。

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系逐漸出現(xiàn)。此種體系將框架與剪力墻的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，既有平面布局的靈活高效性，又有出色的水平、豎直荷載承受能力，在目前的建筑市場(chǎng)此種體系較為流行。

1.3 簡體結(jié)構(gòu)

隨著我國建筑物高度的不斷增加，傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)由于荷載承受強(qiáng)度的限制已經(jīng)無法滿足人們的需要，因而簡體結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，它在抵抗水平力方面具有良好剛度，是由框架-剪力墻結(jié)構(gòu)改進(jìn)而來，常見的有中央鋼筋混凝土核心筒和周邊框架結(jié)構(gòu)的布置方式。

2 鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見問題

2.1 設(shè)計(jì)師概念創(chuàng)新能力不足

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)離不開結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)模型的建立，在此過程中要注意結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，以確保結(jié)構(gòu)計(jì)算與實(shí)際受力的吻合，這期間涉及概念設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)是保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的基礎(chǔ)，是設(shè)計(jì)的靈魂所在。但有些設(shè)計(jì)師在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí)只是進(jìn)行生搬硬套，無法根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，出現(xiàn)的突發(fā)設(shè)計(jì)問題也無法及時(shí)找到有效方法應(yīng)對(duì)。要想改變這種局面，設(shè)計(jì)師必須具備謙虛學(xué)習(xí)的態(tài)度，切實(shí)提高自己的理論知識(shí)，仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的適用范圍和計(jì)算結(jié)果，能夠根據(jù)每個(gè)具體工程項(xiàng)目建立最合理、最符合實(shí)際受力狀態(tài)的計(jì)算模型。中國建筑行業(yè)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，國家規(guī)范也不斷更新完善，在這種情況下，建筑從業(yè)人員都應(yīng)不斷學(xué)習(xí)，對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件深入鉆研，提高操作熟練度，提高設(shè)計(jì)水平，保障高層建筑結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理、滿足各項(xiàng)建筑功能的使用要求【2】。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些細(xì)節(jié)的處理

高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身難度較大，涉及許多抗震細(xì)節(jié)，必須要對(duì)其重視。首先，在中度地震情況下，在設(shè)計(jì)時(shí)可以加入一小水平剪力墻，這樣能夠在一級(jí)剪力墻塑性情況下仍能保持建筑物外形不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重形變。其次，設(shè)計(jì)師還需對(duì)連接兩端剪力墻的梁提高重視。因?yàn)樵诘卣鸢l(fā)生時(shí)連接梁一般會(huì)先開裂，連接梁在能量消耗中發(fā)揮了巨大作用，極大地提高了建筑物的延展性。需注意在對(duì)連接梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)其不斷弱化，否則由于連接梁設(shè)計(jì)過于強(qiáng)大，在地震發(fā)生時(shí)很容易將墻拉伸變形，進(jìn)而給高層建筑帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。最后要注意梁柱節(jié)點(diǎn)的處理，在相關(guān)施工規(guī)范中已經(jīng)對(duì)強(qiáng)柱弱梁進(jìn)行了詳細(xì)解說，但部分設(shè)計(jì)師未進(jìn)行認(rèn)真鉆研，在梁頭憑主觀添加了梁端部，這樣反而形成了弱柱強(qiáng)梁的模型，當(dāng)?shù)卣鸬絹頃r(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)由于支撐力不足嚴(yán)重崩潰，造成巨大損失。因此，在梁柱設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師不宜盲目地對(duì)梁柱進(jìn)行加強(qiáng)，要在考慮各載荷的情況下進(jìn)行適當(dāng)、科學(xué)的加強(qiáng)。

3 結(jié)構(gòu)選型的問題

3.1 結(jié)構(gòu)規(guī)則性問題

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于結(jié)構(gòu)規(guī)則性所規(guī)范內(nèi)容變化很大，相對(duì)于舊的結(jié)構(gòu)規(guī)則性，規(guī)范增加了一些新的條件，例如，平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，除此之外，新規(guī)范還特別指出了施工不能采用嚴(yán)重不規(guī)則設(shè)計(jì)方案。因此，結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意新規(guī)范中的一些限制條件，以避免后期的修改。

3.2 結(jié)構(gòu)超高問題

在新規(guī)范中對(duì)結(jié)構(gòu)高度進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，尤其對(duì)結(jié)構(gòu)超高問題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，不僅將原來的限制高度設(shè)定為A 級(jí)高度，還增加了B 級(jí)高度的建筑。因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)超高問題重視，若由于此問題施工圖紙無法通過，則必須立刻進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并且開專家會(huì)議進(jìn)行論證，保障后期工序的順利進(jìn)行【3】。

3.3 嵌固端的設(shè)置問題

高層建筑一般都有地下室和人防，因此，嵌固端設(shè)置就有2 種選擇，可設(shè)置于地下室頂板，也可置于人防頂板位置。嵌固端的設(shè)置有很多不容忽視的問題，如嵌固端樓板的設(shè)計(jì)合理性、嵌固端上下層抗震等級(jí)一致性、結(jié)構(gòu)抗震縫的設(shè)置等問題，一旦有其中一個(gè)方面出現(xiàn)問題將會(huì)對(duì)整個(gè)建筑的抗震效果產(chǎn)生較大影響，而且也不利于后期修改工作的開展。

3.4 短肢剪力墻相關(guān)問題

墻肢截面高厚比為5～8 的墻定義為短肢剪力墻，經(jīng)過實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)短肢剪力墻存在一些問題，新規(guī)范也對(duì)其使用增加了許多限制條件，因此結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)減少短肢剪力墻的使用，這有助于后期設(shè)計(jì)工作的開展【4】。

3.5 材料問題

高層結(jié)構(gòu)施工最主要的材料為鋼筋混凝土，因此，保證其材料質(zhì)量對(duì)整個(gè)工程有極為重要的意義。首先，進(jìn)行鋼筋混凝土選購時(shí)要選擇有生產(chǎn)資格證的大商家；其次，在材料進(jìn)入施工場(chǎng)地前檢驗(yàn)部門要及時(shí)進(jìn)行抽樣檢查，并且抽取的樣本要多且廣；最后，材料在投入施工后也需進(jìn)行抽樣，一旦發(fā)現(xiàn)問題要立刻停止使用。只有保證材料具有良好的抗震、抗傾覆等性能才能保證高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，檢驗(yàn)部門必須秉承高度負(fù)責(zé)的態(tài)度展開工作，不容馬虎。

4 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)存在的問題

4.1 未考慮沉降因素

許多設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)往往忽視由于建筑物沉降而引起的附加應(yīng)力影響，特別是在獨(dú)立基礎(chǔ)帶梁式的地下室底板設(shè)計(jì)中。沉降變形發(fā)生的主要原因是地下室底板與柱下獨(dú)立基礎(chǔ)在上部荷載作用下引起，若忽略了附加應(yīng)力，底板就極為不安全，甚至?xí)捎跓o法承載而發(fā)生開裂的情況，尤其是天然地基，影響更加顯著。對(duì)于總沉降量不大的工程，可以根據(jù)施工需要與各方面綜合因素，在地下室底板與持力層間進(jìn)行褥墊層處理。除此之外，對(duì)于地下水季節(jié)變化很大的地區(qū)，必須要考慮水位對(duì)地下室底板產(chǎn)生的影響，求出包絡(luò)圖后再做配筋設(shè)計(jì)。

4.2 防水因素

在地下水較為豐富的區(qū)域，室外草坪下的結(jié)構(gòu)部分的外部形狀應(yīng)從簡設(shè)計(jì)，這樣可以更好地發(fā)揮出防水的優(yōu)勢(shì)。此外，基槽地模型一般是復(fù)雜的，會(huì)存在放坡，這些大都是因柱下承臺(tái)影響造成的，這些復(fù)雜的地形無疑給防水施工的開展造成了阻礙，不但延誤了施工期限，還提高了工程造價(jià)。針對(duì)此種情況，可以考慮采取反承臺(tái)法，即統(tǒng)一地下室底板和承臺(tái)的下皮標(biāo)高相同。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：施工方便，在保障施工質(zhì)量的同時(shí)還提高了工程的穩(wěn)定性，縮短了施工時(shí)間。并且內(nèi)部覆土質(zhì)量可以有效平衡底板上的水浮力，減少配筋，這種思路非?？茖W(xué)【5】。

4.3 實(shí)際因素

地下室與外墻配筋的理論計(jì)算與實(shí)際施工往往會(huì)存在或多或少的出入，拿地下室配筋計(jì)算舉例：一般配筋工程外墻計(jì)算時(shí)，不管扶壁柱的外規(guī)格如何，一般都是按照外墻雙向板傳遞負(fù)荷來進(jìn)行驗(yàn)算。這樣就很容易出現(xiàn)外墻豎向受力配筋偏少、扶壁柱配筋不足的情況。不難看出，進(jìn)行計(jì)算時(shí)必須要有經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐支撐，并且要對(duì)環(huán)境進(jìn)行勘探后才能做出較為科學(xué)正確的計(jì)算。

5 高層建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化存在一些問題

5.1 變形縫的設(shè)置

變形縫主要涉及沉降縫與伸縮縫2 方面的設(shè)置。沉降縫應(yīng)設(shè)置于建筑物以下幾個(gè)部位：地基土的壓縮性存在明顯差異處、平面復(fù)雜折疊處、高度差異處等。

當(dāng)排架結(jié)構(gòu)的柱高低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)要減少伸縮縫的間距。若建筑處于內(nèi)陸地區(qū)，夏季干燥且溫度較高，這樣會(huì)使結(jié)構(gòu)常處于高溫的環(huán)境中，施工人員也應(yīng)減少伸縮縫間距，減少量根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境來確定，這對(duì)從業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)素養(yǎng)提出了較高的要求。

5.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的相關(guān)優(yōu)化問題

對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化具有非常重要的作用，一般采取以下措施進(jìn)行優(yōu)化：增加抗彎結(jié)構(gòu)體系的有效寬度，調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。調(diào)整寬度無疑可以增加抵抗力臂，這對(duì)提高建筑物穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用。剪力墻暗柱超筋中暗柱的最大配筋率是4%，在施工規(guī)范中給出的剪力墻的主筋配筋面積其實(shí)并未到達(dá)最大配筋率，所以，在程序出現(xiàn)警報(bào)信息時(shí)可以酌情考慮。

6 結(jié)語

總而言之，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常重要，建筑師、設(shè)備師、施工管理人員等各方面工作人員需溝通協(xié)調(diào)好，才能確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的順利進(jìn)行。因此，本文主要對(duì)鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題進(jìn)行闡述，保證選型的科學(xué)性、細(xì)節(jié)處理的準(zhǔn)確性、抗震的有效性。我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖較前幾年有了較大發(fā)展，但與一些西方國家還存在一定差距，這就要求相關(guān)從業(yè)人員不斷實(shí)踐，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，努力創(chuàng)新，改善施工工藝，為我國建筑行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)出自己的一份力量。