探討高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題及對策

陳 敏

（湘潭市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 湘潭 411100）

現(xiàn)代化建筑的建設(shè)，除了對施工質(zhì)量有著很高的要求外，對建筑使用的安全性和效益也提出了新要求。若想保證建筑的使用性能達(dá)標(biāo)，做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究和把控，對設(shè)計(jì)建設(shè)高穩(wěn)定性和安全性水平的建筑，推動(dòng)建筑持續(xù)化發(fā)展，有著重要的意義。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題

基于過往的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，常見的問題如下：（1） 剪力墻。設(shè)置在建筑結(jié)構(gòu)中的剪力墻，發(fā)揮著承載水平力以及豎向重力的積極作用。若布局不合理，強(qiáng)度和剛度不達(dá)標(biāo)等，都很容易造成結(jié)構(gòu)破壞，影響著結(jié)構(gòu)性能發(fā)揮，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)無法有效吸收沖擊力。（2） 建筑結(jié)構(gòu)超高?，F(xiàn)行的高層建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，對建筑結(jié)構(gòu)高度做出了明確具體的規(guī)定。不過部分企業(yè)為了獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益，存在著隨意增加高度的行為，使得建筑存在很大的安全隱患。若遇到強(qiáng)風(fēng)或者地震情況，很容易出現(xiàn)破壞的情況?；诖?，開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要嚴(yán)格按照現(xiàn)行的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，做好高度設(shè)計(jì)的把控。（3） 嵌固端的設(shè)置。一般來說，嵌固端設(shè)計(jì)常見的問題為位置選擇和剛度大小。具體體現(xiàn)為：將嵌固端布置在人防地下室頂板位置，增加了結(jié)構(gòu)整體的安全風(fēng)險(xiǎn)；剛度設(shè)計(jì)比例不合理，影響著結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)例分析

2.1 案例概述

以某建筑項(xiàng)目為例，總建筑面積為6.85 萬m2。整個(gè)建筑設(shè)計(jì)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，選擇6層位置設(shè)置轉(zhuǎn)換層，建筑地下室設(shè)計(jì)為停車庫。建筑抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，按照50年一遇風(fēng)壓設(shè)計(jì)，即0.85 kN/m2?，F(xiàn)結(jié)合具體設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。

2.2 結(jié)構(gòu)選型和布置

此項(xiàng)目建筑平面比較復(fù)雜，保證塔樓體形、平面以及剛度相同，進(jìn)而減少耦聯(lián)振動(dòng)。各塔樓之間設(shè)計(jì)用喇叭形布置，布置參數(shù)如表1所示。設(shè)計(jì)的連接體轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，使用的鋼骨混凝土梁，用作連接體的支撐。通過設(shè)計(jì)計(jì)算，整個(gè)鋼骨混凝土梁的斷面最大值是900 mm×3 000 mm，會增加施工作業(yè)的難度。出于安全和經(jīng)濟(jì)性考慮，建筑主體結(jié)構(gòu)和連接體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇剛性連接的方法。連接位置連接主梁，選擇各層設(shè)置的混凝土梁，梁的尺寸大小設(shè)計(jì)為500 mm×1 800 mm，進(jìn)而保證連接位置的剛度達(dá)標(biāo)。

表1 布置參數(shù) /m

因?yàn)檫B體的結(jié)構(gòu)振型比較豐富，同時(shí)扭轉(zhuǎn)振型和平動(dòng)振型采取耦合形式，運(yùn)用平扭耦聯(lián)方法，開展結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的計(jì)算，并且基于雙向地震的影響做充分分析，做好相應(yīng)的把控。因?yàn)檫B接位置很復(fù)雜，所以運(yùn)用彈性樓蓋開展計(jì)算。除此之外，連體結(jié)構(gòu)的兩個(gè)塔樓體型很像，所以，選擇風(fēng)荷載數(shù)值時(shí)，考慮相鄰建筑物之間的相互影響，用體形系數(shù)和干擾系數(shù)相乘，獲得的計(jì)算結(jié)果如表2所示。通過結(jié)果分析，建筑自振周期處于合理范圍內(nèi)，能夠達(dá)到規(guī)范要求。除此之外，在地震影響下，樓層最大層間位移也能夠達(dá)到規(guī)范要求。

表2 建筑結(jié)構(gòu)周期和振型（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

2.3 連接體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)樗窍嗷ミB接位置的高度大約為50 m，所以開展連接體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，要最大程度上保障連接體結(jié)構(gòu)位置的施工安全。 選擇在48 m位置設(shè)置1個(gè)鋼結(jié)構(gòu)， 用作施工平臺[1]。因?yàn)檫B接體梁板自身的重量很大，若想確保施工作業(yè)的安全和經(jīng)濟(jì)效益，選擇混凝土澆筑振搗作業(yè)方法，進(jìn)而減少自重范圍，用梁承擔(dān)相應(yīng)的荷載。為了滿足施工方案的基本要求，對連接體進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，根據(jù)施工作業(yè)順序，開展混凝土澆筑內(nèi)力的計(jì)算，選擇下層連接體梁板，當(dāng)作上層連接體的作業(yè)平臺，用于承受施工荷載，同時(shí)開展配筋計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算，部分梁的配筋通過施工控制，進(jìn)而達(dá)到建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略總結(jié)

3.1 優(yōu)選設(shè)計(jì)方案

從高層建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為關(guān)鍵內(nèi)容，要做好科學(xué)性以及合理性的把控，做好剪力墻和嵌固端布置等的優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證建筑工程建設(shè)的質(zhì)量[2]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案，提出的各類參數(shù)必須要能夠滿足結(jié)構(gòu)實(shí)際需求，同時(shí)還要達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要考慮到后期施工活動(dòng)的開展，做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為后期施工作業(yè)的進(jìn)行，提供安全保障。除此之外，加大對現(xiàn)場環(huán)境的調(diào)查，結(jié)合結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，優(yōu)選設(shè)計(jì)方案，確保整個(gè)方案具有科學(xué)性以及可行性。

3.2 運(yùn)用計(jì)算簡圖

從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的角度來說，運(yùn)用計(jì)算簡圖，能夠有效保證設(shè)計(jì)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，減少設(shè)計(jì)誤差的出現(xiàn)[3]。若產(chǎn)生設(shè)計(jì)誤差，比如配筋誤差等，將會引發(fā)系列問題，影響著建筑建設(shè)的質(zhì)量和效益?；诖?，開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用計(jì)算簡圖，綜合分析各類因素，做好全面的把控。需要注意：要結(jié)合實(shí)際需求，選擇適宜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作業(yè)的開展，保證設(shè)計(jì)方案參數(shù)計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和效率。

3.3 滿足性能需求

從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐來說，若想獲得不錯(cuò)的成效，必須要保證滿足各項(xiàng)性能需求。設(shè)計(jì)時(shí)做好以下性能指標(biāo)的把控：（1） 延展性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開展，要做好延展性的把控，進(jìn)而保證當(dāng)樓體出現(xiàn)變形和受到地震作用時(shí)能夠保持安全狀態(tài)。（2） 結(jié)構(gòu)的水平力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，做好結(jié)構(gòu)水平力的高效。通過分析相同水平面內(nèi)力學(xué)載荷分布特征，把控好結(jié)構(gòu)水平力，進(jìn)而保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量達(dá)標(biāo)。因?yàn)樗搅σ蛩啬軌蚪o建筑結(jié)構(gòu)造成很大影響，需要高度重視。（3） 穩(wěn)定性。開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，做好穩(wěn)定性能的分析，強(qiáng)化對關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制，比如短肢剪力墻，保證建筑建設(shè)的質(zhì)量[4]。

3.4 把控好抗震設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，需全面把控，做好設(shè)計(jì)要點(diǎn)的把控。具體實(shí)踐中采取以下措施：（1） 合理設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，將會給建筑抗震性能造成直接影響。目前來說，高層建筑建設(shè)選用的結(jié)構(gòu)形式，主要包括框筒體系、筒中筒與框架體系、支撐體系。近年來，鋼結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，增強(qiáng)了建筑抗震能力。開展抗震設(shè)計(jì)，要積極采用軟性模式，通過消減地震條件下的作用力，保障建筑的安全性。（2） 優(yōu)選建筑材料。材料的質(zhì)量水平，影響著建筑的抗震性能?；诳拐鹪O(shè)計(jì)層面選擇建筑材料，要做好整體分析，有效把控建筑物延性，實(shí)現(xiàn)材料的優(yōu)選，保證建筑物整體性能。（3） 合理設(shè)計(jì)抗震防線。若想增強(qiáng)建筑整體的抗震能力，采取增加抵御路線的方法，增強(qiáng)抵抗力。發(fā)生地震時(shí)，綜合發(fā)揮各類防線的積極作用，形成強(qiáng)有力的保護(hù)，避免建筑出現(xiàn)大規(guī)模倒塌破壞的情況。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，選擇設(shè)置多肢節(jié)和框架式結(jié)構(gòu)等，來增強(qiáng)抗震性。一般來說，設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)，擁有多層次防線，剪力墻作為重要構(gòu)成部件，發(fā)揮著重要的抗震作用。若想實(shí)現(xiàn)抗震功能，要控制好數(shù)量設(shè)置。當(dāng)剪力墻被破壞后，每個(gè)樓層的框架的地震剪力，其超過了結(jié)構(gòu)底部的剪力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了保護(hù)的目的。

3.5 做好超限設(shè)計(jì)的把控

從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來說，現(xiàn)行的各類規(guī)范，提出了計(jì)算要求以及構(gòu)造措施，難以有效保證超限結(jié)構(gòu)在地震條件下的安全性以及可靠性，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需嚴(yán)格控制。采取以下措施：（1） 做好結(jié)構(gòu)全面計(jì)算。使用有限元程序，開展模擬分析和計(jì)算。做好地震作用下的建筑結(jié)構(gòu)分析，除了運(yùn)用振型分解反應(yīng)譜方法外，還可以進(jìn)行彈性時(shí)程分析，結(jié)合使用力學(xué)模型，開展對比分析。一般來說，超限結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，對軟件性能的要求較高，可使用SAP2000等進(jìn)行實(shí)際分析，獲得高質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果。不過需要注意的是，軟件的先進(jìn)性越高，精準(zhǔn)度就越高，由于軟件使用者的熟悉程度不高，加之操作復(fù)雜，需要消耗很多的分析時(shí)間。除了上述方法外，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可以運(yùn)用靜力分析法或者動(dòng)力彈性分析法，分析結(jié)構(gòu)的性能，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，開展配筋設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)整體的性能。（2） 采取相應(yīng)的措施，增強(qiáng)建筑整體性能，保證建筑的安全性。在進(jìn)行計(jì)算分析之前，要提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，高于現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對結(jié)構(gòu)重要位置進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用軟件分析，明確薄弱點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)建筑的性能，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到安全性和可靠性目標(biāo)，推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的高質(zhì)量落實(shí)。

4 結(jié)語

綜上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要做好全面的把控，提出高質(zhì)量的設(shè)計(jì)方案，保障建筑結(jié)構(gòu)性能達(dá)標(biāo)。設(shè)計(jì)工作的開展，從多個(gè)方面入手，做好結(jié)構(gòu)水平力和穩(wěn)定性等指標(biāo)的把控，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為建筑施工提供高質(zhì)量方案。