淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題

周鎧

摘要：隨著社會(huì)的進(jìn)步，文明的發(fā)展，人們對(duì)質(zhì)量的追求也越來越高，尤其是對(duì)建筑的質(zhì)量要求。建筑結(jié)構(gòu)在整個(gè)建筑物的質(zhì)量上起著決定性的作用，因此對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要嚴(yán)整、規(guī)范。作者通過自己在工作中遇到的部分問題，闡述了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，從而提出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：高層建筑 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 問題

一、高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.高層建筑的結(jié)構(gòu)必須能夠承受豎向荷載、水平荷載和外荷載。其中對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行控制的主要因素就是水平荷載。高度會(huì)與結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移產(chǎn)生聯(lián)系，位移與彎矩大小均與高度成正比，軸向力與高度成正比。高層建筑中的結(jié)構(gòu)材料必須能夠負(fù)擔(dān)水平負(fù)載力。

2.高層建筑中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須對(duì)軸向變形引起重視，豎向荷載的增大更容易造成軸向變形，減小負(fù)彎矩值，增加跨中正彎矩。

3.高層建筑的結(jié)構(gòu)必須具有結(jié)構(gòu)延性。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的問題

隨著高層建筑的不斷興建，我國很多高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都暴露出了一些問題，對(duì)高層建筑的建設(shè)帶來了不利的影響。

1.對(duì)高層建筑抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與多層建筑相比，高層建筑在高度和層數(shù)上都有一個(gè)明顯的突破。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，高層建筑與多層建筑在設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)原理上基本是一致的。兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在水平荷載作用，高層建筑的結(jié)構(gòu)材料必須能夠抵抗更大的水平荷載，對(duì)于高層建筑特別是帶高位轉(zhuǎn)換層、多塔樓和大底盤的高層建筑，都很容易在抗側(cè)力結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)問題。

2.高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的問題高層建筑的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求很高，有很多高層建筑的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)沒有對(duì)荷載進(jìn)行全面的考慮，在進(jìn)行局部填土、隔墻設(shè)置等都沒有對(duì)荷載偏心的影響進(jìn)行考慮。在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，沒有進(jìn)行沖切、抗剪和抗彎的處理。

3.高層建筑在軸壓比的控制上的問題軸壓比的限制比在高層建筑中有著嚴(yán)格的規(guī)定，很多高層建筑的設(shè)計(jì)難以滿足軸壓比的規(guī)范要求，很多構(gòu)件的截面受到了限制。軸壓比的限制對(duì)高層建筑的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

4.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果難以判斷對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判斷并不容易，高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算所要考慮的因素眾多，不僅要對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期、振型曲線、水平位移特征等因素進(jìn)行考慮，還要考慮其抗震設(shè)計(jì)的合理性。因此，很多高層建筑的設(shè)計(jì)中難以對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，往往遺漏一些影響因素，造成結(jié)構(gòu)計(jì)算的不合理。

三、解決高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的具體措施

1.如何對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)

（1） 當(dāng)高層建筑的設(shè)計(jì)中有地下室這一內(nèi)容時(shí)，要對(duì)荷載進(jìn)行全面的考慮，地下室的外挑部分、局部填土、停車、水池等都會(huì)受到荷載偏向的影響。

（2）在對(duì)筏基和箱基的梁板配筋進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須對(duì)底板上直接作用的梁板自重和荷載進(jìn)行相應(yīng)的扣除，當(dāng)箱筏的四邊邊區(qū)格和四角的地基反應(yīng)力過大的時(shí)候設(shè)計(jì)人員不要過分依賴計(jì)算軟件，需要自行判斷下是否要對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)配筋，有時(shí)候自己重新劃分下計(jì)算網(wǎng)格會(huì)有更好的結(jié)果。

（3）如果高層建筑的地面有中庭設(shè)計(jì)，就必須對(duì)基礎(chǔ)底沿的軸線上進(jìn)行基礎(chǔ)梁的設(shè)置。在使用倒梁法進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，注意不到頂?shù)闹虚g柱是不能夠作為支點(diǎn)的，在進(jìn)行集中荷載計(jì)算時(shí)必須同時(shí)計(jì)算柱底反力。

（4）如果采用的整體筏基和箱基的設(shè)計(jì)，就要對(duì)其樁土進(jìn)行考慮，樁土的共同工作會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在對(duì)基礎(chǔ)底板進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要對(duì)樁土共同作用的狀態(tài)或樁沉降狀態(tài)下的地基反力進(jìn)行考慮。

2.如何對(duì)高層建筑的軸壓比進(jìn)行控制一般來說提高混凝土的強(qiáng)度是對(duì)高層建筑軸壓比進(jìn)行控制的直接方法。如果還不能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，則還可以使用其他方法來對(duì)軸壓比進(jìn)行控制。

（1）混凝土的變形能力受到柱的箍筋的影響，因此可以通過對(duì)混凝土的橫向變形進(jìn)行約束，來對(duì)裂縫的擴(kuò)展進(jìn)行延緩，并對(duì)截面抗剪能力進(jìn)行提高。增大配箍率、使用合適的配箍形式都可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)延性的提高。在設(shè)計(jì)時(shí)，如果采用井字復(fù)合箍進(jìn)行沿柱全高，且保持箍筋的直徑、間距和肢距，一般來說直徑在8毫米以上，間距在100毫米以內(nèi)，肢距在100毫米以內(nèi)。如果采用復(fù)合螺旋箍進(jìn)行沿柱全高，則要保證8毫米以上的箍筋直徑，100毫米以內(nèi)的螺距和100毫米以內(nèi)的肢距。

（2）在彈性模量方面，鋼筋的彈性模量高于混凝土6倍有余，如果配置了較多的縱向鋼筋在柱中，有余軸向壓力的影響，鋼筋會(huì)承擔(dān)更多的壓力，從而降低混凝土承擔(dān)的壓力。在設(shè)計(jì)中可以在柱截面中部加入附加芯柱，另加的縱向鋼筋的總面積不少于柱截面面積的0.8%都必須加入縱向鋼筋。

（3）提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)軸壓比的控制有直接的效果，但混凝土的強(qiáng)度越高其脆性也越大，因此要控制混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過C60。

3.如何進(jìn)行連梁設(shè)計(jì)

在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》以及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中都明確的規(guī)定了連梁的截面尺寸、剪壓比限制以及剪力設(shè)計(jì)取值等內(nèi)容。在具體的工程設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，因?yàn)檫B梁具有較小的跨度以及高度較大的截面，因此在地震的作用下，彎矩和剪力在經(jīng)過內(nèi)力的計(jì)算之后都比較大，因此無法使規(guī)范的要求得到充分的滿足，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要以不同的情況為根據(jù)從而采取不同的措施。在地震作用下，為了對(duì)連梁的延性進(jìn)行保障，并對(duì)剪力和彎矩進(jìn)行有效的傳遞，剛度折減的系數(shù)就要高于0.55；在風(fēng)荷載的作用下，為了將連梁的裂縫控制在正常的適用范圍內(nèi)，就要使剛度折減的系數(shù)高于0.80。此外，如果調(diào)整剛度折減系數(shù)后連梁仍然難以滿足要求，則可以采用內(nèi)調(diào)幅，并配置足夠的箍筋。有些工程師在連梁超筋時(shí)喜歡點(diǎn)鉸處理筆者認(rèn)為這種做法并不可取，若連梁的超筋較多時(shí)，在位移容許的情況下可以對(duì)連梁的高度進(jìn)行減小，以減小剪力和彎矩。

4.合理的判斷結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

（1）結(jié)構(gòu)自振周期：應(yīng)該在下列的范圍之內(nèi)針對(duì)高層建筑計(jì)算的自振周期進(jìn)行控制：

框架結(jié)構(gòu)T1=（0.1～0.15）NS；

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)T1=（0.08～0.12）NS；

剪力墻結(jié)構(gòu)T1=（0.04～0.06）NS；

框架筒體結(jié)構(gòu)T1=（0.1～0.15）NS（NS為建筑物的層數(shù)）。

應(yīng)該在以下的范圍之內(nèi)針對(duì)第二周期以及第三周期的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制：

第三周期T3=（1/5～1/7）T1；

第二周期T2=（1/3～1/5）T1。

（2）振型：振型曲線一般情況下必須要做到具有光滑連續(xù)的特點(diǎn)，不規(guī)則的凹凸以及突變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)等都不應(yīng)該在其中出現(xiàn)；通常情況下，應(yīng)該在以下范圍內(nèi)針對(duì)零點(diǎn)到底部在各振型曲線當(dāng)中的高度進(jìn)行控制：

第一振型：沒有出現(xiàn)零點(diǎn)；

第二振型：有一個(gè)零點(diǎn)點(diǎn)存在于（0.7～0.8）H處，其中H為的建筑物計(jì)算高度；第三振型：有兩個(gè)零點(diǎn)分別存在于（0.8～0.9）H處以及（0.4～0.5）H處。

四、結(jié)語

結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的過程中，不僅要對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行重視，同時(shí)還要關(guān)注如何合理地選擇結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)界現(xiàn)在對(duì)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了大力的提倡，然而在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)當(dāng)中卻具有千差萬別的情況，所以設(shè)計(jì)人員必須要以工程中遇到的實(shí)際情況為根據(jù)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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