淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及注意問題

邱海峰 王 龍

（江西五方建筑設(shè)計(jì)有限公司，江西 贛州 341000）

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

1.1 選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算簡圖：結(jié)構(gòu)計(jì)算式在計(jì)算簡圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計(jì)算簡圖選用不當(dāng)則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全的事故常常發(fā)生，所以選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算簡圖是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。計(jì)算簡圖還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來保證。實(shí)際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不可能是純粹的鉸結(jié)點(diǎn)和剛結(jié)點(diǎn)，但與計(jì)算簡圖的誤差應(yīng)在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

1.2 選擇合適的基礎(chǔ)方案：基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件，上部結(jié)構(gòu)類型與載荷分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進(jìn)行綜合分析，選擇經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)方案，設(shè)計(jì)時(shí)宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行地基變形驗(yàn)算?；A(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)有詳盡的地質(zhì)勘察報(bào)告，對一些缺少地質(zhì)報(bào)告的建筑應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場查看和參考臨近建筑資料。通常情況下，同一結(jié)構(gòu)單元不宜用兩種不同的類型。

1.3 合理選擇構(gòu)方案：一個(gè)合理的設(shè)計(jì)必須選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，也就是要選擇一個(gè)切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)受力明確，傳力簡捷。同一結(jié)構(gòu)單元不宜混用不同結(jié)構(gòu)體系，地震區(qū)應(yīng)力求平面和豎向規(guī)則?？偠灾?，必須對工程的設(shè)計(jì)要求、材料供應(yīng)、地理環(huán)境、施工條件等情況進(jìn)行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業(yè)充分協(xié)商，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行多方案比較，擇優(yōu)選用。

1.4 正確分析計(jì)算結(jié)果：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，但是由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會(huì)導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果。因此設(shè)計(jì)師應(yīng)對程序的適用范圍、條件等進(jìn)行全面了解。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)實(shí)際情況與程序不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，因而要求結(jié)構(gòu)工程師在拿到電算結(jié)果時(shí)應(yīng)認(rèn)真分析，慎重校核，做出合理判斷。

1.5 采取相應(yīng)的構(gòu)造措施：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)始終要牢記“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓若拉原則”，注意構(gòu)件的延性性能；加強(qiáng)薄弱部位；注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的執(zhí)行段錨固長度；考慮溫度應(yīng)力的影響力。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)的布置

2.1 結(jié)構(gòu)平面布置

平面形狀簡單、規(guī)則、對稱盡量使質(zhì)心和鋼心重合。偏心大的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大,會(huì)加大端部構(gòu)件的位移，導(dǎo)致應(yīng)力集中。平面突出部分不宜過長。扭轉(zhuǎn)是否過大，可用概念設(shè)計(jì)方法近似計(jì)算鋼心、質(zhì)心及偏心距后進(jìn)行判斷，還可以比較結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)邊緣處的最大層間變形和質(zhì)心處的層間變形，其比值超過1.1者，可以認(rèn)為扭轉(zhuǎn)太大而結(jié)構(gòu)不規(guī)則。

2.2 結(jié)構(gòu)立體布置

結(jié)構(gòu)豎向布置最基本的原則是規(guī)則、均勻。

規(guī)則，主要是指體型規(guī)則，若有變化，亦應(yīng)是有規(guī)則的漸變。體型沿豎向的劇變，將使地震時(shí)某些變形特別集中，常常在該樓層因過大的變形而引起倒塌。

均勻是指上下體型、剛度、承載力及質(zhì)量分布均勻，以及它們的變化均勻。結(jié)構(gòu)宜設(shè)計(jì)成剛度下大上小，自下而上逐漸減小。下層剛度小，將使變形集中在下部，形成薄弱層，嚴(yán)重的會(huì)引起建筑的全面倒塌。如果體型尺寸有變化，也應(yīng)下大上小逐漸變化，不應(yīng)發(fā)生過大的突變。上不樓層收進(jìn)使得體型較小的情況經(jīng)常發(fā)生，但是對于收進(jìn)的尺寸應(yīng)當(dāng)限制。收進(jìn)的部位越高，收進(jìn)后的平面尺寸越小，高振型的影響明顯加大。如果上部樓層外挑，造成“頭重腳輕”的狀況，將使扭轉(zhuǎn)反映明顯加大，豎向地震影響也明顯變大。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，首先應(yīng)研究建筑所處的地基基礎(chǔ)對建筑抗震能力的應(yīng)力影響，再做出適當(dāng)?shù)倪x擇，這也是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容?；A(chǔ)作為高層建筑的根基，也是建筑中最重要的組成部分，若一座建筑沒有堅(jiān)實(shí)的地基為保障，那么再好的上部結(jié)構(gòu)也僅能是一個(gè)空架子，甚至?xí)斐缮喜拷Y(jié)構(gòu)的傾斜或破壞，影響建筑安全度。一般高層建筑基礎(chǔ)類型的選擇較復(fù)雜，甚至比上部結(jié)構(gòu)的選型更難，由于高層建筑地基的影響因素諸多，因此要慎重選擇。

3.2 剪力墻的數(shù)量及位置

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，除了在兩端布置剪力墻筒外，在結(jié)構(gòu)縱向中沿軸線還應(yīng)再設(shè)計(jì)兩片剪力墻結(jié)構(gòu)，以提高縱向的剛度、并調(diào)整剛度中心位置，盡量使其與質(zhì)量中心重合，并根據(jù)底層結(jié)構(gòu)的截面面積及樓面面積比為5%的比例決定剪力墻的界面厚度及柱截面，通過進(jìn)一步設(shè)計(jì)對截面進(jìn)行調(diào)整，以保證其結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果位移與周期均保持在合理范圍之內(nèi)。

3.3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算軟件選擇

目前應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件諸多，但是每一款軟件在實(shí)際計(jì)算模型過程中存在一定差異，就會(huì)造成最終計(jì)算結(jié)果略有不同，因此在對工程的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算及分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同高層建筑的結(jié)構(gòu)類型及各種計(jì)算機(jī)軟件模型的特點(diǎn)來合理選擇，并對于不同軟件對同一建筑計(jì)算結(jié)構(gòu)差異較大的數(shù)據(jù)中，科學(xué)判斷其合理性，最終選定一個(gè)數(shù)據(jù)作為參考，這也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師的必備本領(lǐng)。否則，若選擇了不合適的軟件進(jìn)行計(jì)算，不僅浪費(fèi)了時(shí)間與精力，還會(huì)給高層建筑的結(jié)構(gòu)帶來不安全隱患。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的特殊問題

4.1 位移的限值問題

在高層建筑中，決定其定點(diǎn)位移的限值因素不僅是數(shù)值大小，還與振動(dòng)頻率密切相關(guān)。一般人對高層建筑中的振動(dòng)頻率感知是很敏感的，而對震動(dòng)幅度的大小則相對較弱，因此只要結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)頻率不是過高就能滿足建筑的應(yīng)用舒適度，對于為了避免由于結(jié)構(gòu)的變形過大而產(chǎn)生的層間相對位移現(xiàn)象，限值在現(xiàn)有的規(guī)范中是較嚴(yán)格的，可以適當(dāng)放松其指標(biāo)規(guī)定。再加上各種計(jì)算程序在算法中的區(qū)別，同一個(gè)結(jié)構(gòu)若采取不同的程序進(jìn)行計(jì)算，那么對層間位移數(shù)值也會(huì)造成較大差異，最主要原因就是每個(gè)軟件對“層間位移”的定義各不相同，有些是充分考慮樓層在經(jīng)過轉(zhuǎn)動(dòng)后其最大角點(diǎn)的位移狀況，有些則單指樓層的形心位移情況。對于較規(guī)則的高層建筑而言，形心位移是十分重要的，而角點(diǎn)位移則主要反映出結(jié)構(gòu)樓層實(shí)際位移狀況，也是工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。

4.2 高層建筑中豎向剛度變化

為了進(jìn)一步調(diào)整高層建筑高度在豎向的分布問題，混凝土墻的厚度及柱子截面的尺寸沿照豎向進(jìn)行變化，混凝土的等級(jí)也應(yīng)適當(dāng)變化在三次左右，并相互交錯(cuò)處理。而經(jīng)過大量實(shí)踐計(jì)算表明，高層建筑中上下樓層的剛度比值至少控制在0.77上，對于結(jié)構(gòu)剛度變化明顯、可能產(chǎn)生突變受力的樓層，如地下室頂板、鋼骨混凝土柱、塔樓大屋面和大洞口的樓層等，都需要加厚樓板，并采用雙層配筋，以提高樓板平面的剛度，發(fā)揮剛性橫隔板的作用，保障建筑安全使用。

4.3 結(jié)構(gòu)超高問題的解決

在高層建筑的抗震規(guī)范中，對建筑結(jié)構(gòu)的總體高度有嚴(yán)格規(guī)定，尤其在新規(guī)范中對超高問題較為重視，除了將原有對高度的限制設(shè)為A級(jí)高度的建筑外，還增加了對B級(jí)高度建筑的規(guī)定，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需對建筑超高問題引起重視，一旦建筑超過了其規(guī)定的等級(jí)，在設(shè)計(jì)和處理方式上都會(huì)產(chǎn)生較大變化。

結(jié)語

近些年來，我國的高層建筑建設(shè)發(fā)展迅速。但從設(shè)計(jì)質(zhì)量方面來看，并不理想。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師不能僅僅重視結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性而忽略結(jié)構(gòu)方案的具體實(shí)際情況，應(yīng)作出合理的結(jié)構(gòu)方案選擇。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析掌握的知識(shí)處理實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中遇到了各種問題。

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