試析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題

摘要：伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加上科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國高層建筑行業(yè)取得了重大的突破。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，不僅僅影響到高層建筑實(shí)施施工，而且還直接影響到高層建筑建設(shè)以及后期養(yǎng)護(hù)的順利開展。文章闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并結(jié)合案例對高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)注意問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)；特點(diǎn)；注意事項(xiàng)

1.高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.1 充分重視軸向變形

高層建筑的豎向的荷載非常大，在柱中會(huì)引起明顯的軸向變形，當(dāng)設(shè)計(jì)中未充分考慮軸向變形的影響的話，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的次生內(nèi)力。如一端與柱相連、一端正與墻相連的梁，由于柱豎向應(yīng)力大，豎向變形也大，梁段會(huì)發(fā)生彎曲內(nèi)力向墻端處轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，從而引起梁端過早開裂，發(fā)生剛度退化現(xiàn)象。

1.2 水平荷載是設(shè)計(jì)的決定因素

水平荷載對高層建筑影響表現(xiàn)在：（1）產(chǎn)生側(cè)向位移，側(cè)向位移產(chǎn)生擠壓或拉伸會(huì)使填充墻或建筑裝修以及建筑主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或損壞并且側(cè)向位移使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，由側(cè)向位移過大而引起的附加內(nèi)力超過一定數(shù)值會(huì)引起結(jié)構(gòu)的倒塌。（2）產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，由于高層建筑質(zhì)量的不均勻變化，結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算的局限性以及抗扭構(gòu)件的非對稱，高層建筑無論在風(fēng)振作用下還是在地震作用下，都很容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，而大多數(shù)情況下，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和側(cè)向位移之間還會(huì)發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，從而使得動(dòng)力作用放大，加劇建筑物的損壞甚至引起建筑物的倒塌。

在高層結(jié)構(gòu)中，豎向荷載在豎構(gòu)件中引起的軸向力N，水平荷載q 對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩M，與房屋高度H 存在著如下的關(guān)系式。

豎向荷載 N =WH（1-1）

水平均布荷載 M = 1/2qH2 （1-2）

水平倒三角形荷載 M = 1/3q H2（1-3）

式中，q、W——分別為作用于樓房每米高度上的水平荷載和豎向荷載（kN/m）。

1.3 軸向變形不容忽視。

高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會(huì)對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大；還會(huì)對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對下料長度進(jìn)行調(diào)整；另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響。

2.高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)注意事項(xiàng)

2.1 工程概況

某項(xiàng)目建筑面積為33819.0m2，地下2 層為停車庫，地上1～3 層為商業(yè)，4～30 層為住宅，頂部設(shè)有出屋面電梯機(jī)房及水箱間，采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。抗震設(shè)防烈度8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑物場地土類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓Wo=0.40kN/m2。該建筑地下室～4 層剪力墻厚度為：350mm；6 層～12 層剪力墻厚度為：300mm；13層～21 層剪力墻厚度為：250mm；22 層～屋頂剪力墻厚度為：200mm；樓、電梯間剪力墻厚均為250mm 和160mm?；A(chǔ)型式為樁和承臺(tái)聯(lián)合基礎(chǔ)。

2 結(jié)構(gòu)體系選型

建筑物結(jié)構(gòu)形式的選擇對建筑的使用功能、結(jié)構(gòu)可靠性、建筑的抗震性能、工程造價(jià)等具有很大影響。因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中體系選型顯得十分重要。剪力墻結(jié)構(gòu)是一種由鋼筋混凝土墻體作為抗側(cè)力單元，同時(shí)承擔(dān)豎向荷載和地震作用的一種結(jié)構(gòu)體系；它剛度大，空間整體性好，用鋼量較省；可以很好地適應(yīng)墻體較多、房間面積不大的特點(diǎn)，故在高層住宅中應(yīng)用極為普遍。但剪力墻結(jié)構(gòu)墻體較多，不能布置商店和公共設(shè)施等面積較大的房間。

框支剪力墻結(jié)構(gòu)是一種將部分底層或部分層的剪力墻取消，代之以框架的結(jié)構(gòu)體系；其主要是為了滿足在底層布置門廳、餐廳、會(huì)議室等大面積公共用房的要求，以及在住宅樓底層布置商店和公共設(shè)施的要求。

但框支剪力墻結(jié)構(gòu)，底層柱的剛度小，上部剪力墻剛度大，形成上下剛度突變，在地震作用下底層柱會(huì)產(chǎn)生很大內(nèi)力及塑性變形，對結(jié)構(gòu)抗震性能極為不利；并且其轉(zhuǎn)換層的混凝土和鋼筋用量一般都很大，其工程造價(jià)很不經(jīng)濟(jì)。因此，在地震區(qū)不宜采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，可以組成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)既有框架結(jié)構(gòu)布置靈活、使用方便的特點(diǎn)，又有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震能力，因而廣泛地應(yīng)用于高層建筑中的辦公樓和旅館等。

本工程針對其具體情況，做多方案比較，最終確定了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系；既能滿足了上部住宅樓、底部商業(yè)用房的建筑使用功能要求，又能滿足建筑物在高烈度區(qū)的安全可靠性，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)形式也是較為經(jīng)濟(jì)合理的，可有效的控制工程造價(jià)。

3 基礎(chǔ)及地基處理的設(shè)計(jì)

高層建筑基礎(chǔ)的合理選型與設(shè)計(jì)是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)極其重要和非常關(guān)鍵的部分?；A(chǔ)的工程造價(jià)在高層建筑整個(gè)工程造價(jià)中所占的比例較高，尤其在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的情況下更是如此。所以選用合理的基礎(chǔ)形式或地基處理方式，對降低工程造價(jià)起著至關(guān)重要的作用。

該工程地基承載力特征值為200kPa，天然地基不能滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，可采取鉆孔灌注樁或預(yù)應(yīng)力管樁。由于場地為自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅱ級（中等），建議首先采用素土擠密樁對濕陷性土層進(jìn)行處理?？紤]甲方施工工期緊的情況，經(jīng)過多方經(jīng)濟(jì)比較，最終取消了素土擠密樁處理，而是直接采用機(jī)械旋挖成孔的鋼筋混凝土灌注樁穿越濕陷性土層。根據(jù)西安當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，旋挖成孔技術(shù)可提高灌注樁的承載力約20～50%，這就大大節(jié)約了施工時(shí)間，并減少了素土樁施工費(fèi)用，而灌注樁所增加的樁長卻很小。本工程樁基承臺(tái)此次采用底平，主要是為了使位于地下室的設(shè)備管線埋設(shè)在各個(gè)承臺(tái)之間的空隙，而不占用建筑面層。這樣可大大減小基坑的開挖深度，減小工程量，從而降低工程造價(jià)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程通過抗側(cè)力構(gòu)件的合理布置，在地震作用下，使結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)目標(biāo)參數(shù)均符合規(guī)范要求的前提下，不斷優(yōu)化，盡量減少剪力墻的數(shù)量和厚度，使結(jié)構(gòu)在X、Y 兩個(gè)方向剛度基本接近，兩個(gè)方向水平位移均接近規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)布置更加經(jīng)濟(jì)合理。從承載力方面來看，使框架、剪力墻的作用得到充分的發(fā)揮；從地震作用來看，減小了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，并因此減輕了建筑的自重，從而減小了結(jié)構(gòu)的地震作用；也相應(yīng)減少了基礎(chǔ)工程的投資。

本工程樓層最大位移（樓層最大值層間位移角）：X 方向地震力作用下的樓層最大值層間位移角：1/1084；Y 方向地震力作用下的樓層最大值層間位移角：1/859；滿足了抗震規(guī)范與高規(guī)規(guī)定的剪力墻結(jié)構(gòu)樓層最大值層間位移角限值均為：1/800 的要求。

5 材料選用

5.1 采用高強(qiáng)度鋼筋

在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力要求的前提下，選擇相對造價(jià)低的鋼筋方案，可以達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員一般把重點(diǎn)放在配筋的計(jì)算上，往往忽視鋼筋種類的選擇。新Ⅲ級鋼筋是近年來推廣使用的新型鋼筋，它比普通Ⅱ級鋼筋提高強(qiáng)度近20%，每噸價(jià)格增加不超過10%。因此新Ⅲ級鋼筋的選用，在增加鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和建筑物安全儲(chǔ)備的同時(shí)，還節(jié)省了用鋼量。另外，鋼筋的連接宜優(yōu)先采用閃光對焊，且普通焊接或電渣壓力焊接比搭接經(jīng)濟(jì)。

本工程基礎(chǔ)和梁、柱及板配筋等大部分均采用HRB400 級鋼筋， HRB400 級鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與HRB335 級鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之比360/300=1.2；據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，用強(qiáng)度高的HRB400 級鋼筋取代強(qiáng)度低的HRB335 級鋼筋可節(jié)約鋼材約14%，這是降低鋼筋用量最直接的措施。

5.2 采用輕質(zhì)隔墻

本工程為減輕荷載，內(nèi)隔墻采用輕質(zhì)石膏板內(nèi)隔墻體系，與輕質(zhì)砌塊隔墻相比，輕質(zhì)石膏板內(nèi)隔墻體系具有自重輕、干法作業(yè)，安裝效率高，易于拆改、施工快捷，縮短工期的優(yōu)點(diǎn)，近年來在高層住宅建筑中得以廣泛應(yīng)用。以99mm 厚的輕質(zhì)石膏板隔墻為例，其重量為23kg/m2，是相同厚度砌塊隔墻重量的28%，可顯著節(jié)省建筑承重結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)費(fèi)用，降低土建結(jié)構(gòu)造價(jià)。

6.結(jié)束語

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)劃中對空間規(guī)劃有了一定的需求，高層建筑結(jié)構(gòu)已越來越成為城市建筑的重點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)置過程中，高層建筑結(jié)構(gòu)因較多層建筑會(huì)給施工帶來較多的復(fù)雜性，因此在設(shè)計(jì)中要綜合多方面的因素進(jìn)行考慮，對各部位的受力情況及參數(shù)的選取要進(jìn)行仔細(xì)的分析和研究，從而保證高層建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定，以免留下設(shè)計(jì)中的安全隱患，從而保證高層建筑的安全性。

參考文獻(xiàn)

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