劉穎霞

許昌市東城區(qū)財(cái)政投資評(píng)審中心，河南許昌 461000

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐探討

劉穎霞

許昌市東城區(qū)財(cái)政投資評(píng)審中心，河南許昌 461000

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，高層建筑大量涌現(xiàn)并從單一用途向多用途、多功能發(fā)展，從而給高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來新的課題。本文在分析高層建筑結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的幾個(gè)問題及解決方法進(jìn)行了探討，并總結(jié)了應(yīng)注意的事項(xiàng)。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；實(shí)踐探討

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)高層建筑特別是超高層建筑的發(fā)展非常迅速，其規(guī)模、形式日益豐富。高層建筑形式的這一變化使得結(jié)構(gòu)形式也發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法遇到了挑戰(zhàn)和瓶頸，為了確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全和合理，開展高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐探討非常必要。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 水平荷載成為決定因素

樓房自重和樓面使用荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩，與樓房高度的1次方成正比。而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，與樓房高度的2次方成正比。對(duì)于一定高度的樓房來講，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，則隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。

1.2 軸向變形不容忽視

高層建筑的豎向荷載很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，會(huì)對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，導(dǎo)致連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大，還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響。針對(duì)以上問題要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。

1.3 側(cè)移成為控制指標(biāo)

與較低的樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下的結(jié)構(gòu)側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

1.4 結(jié)構(gòu)延性是重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)

相對(duì)于較低的樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，尤其需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧员ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的問題及對(duì)策

2.1 荷載取值不適當(dāng)

當(dāng)房屋建筑地基大部分受力面積沒有軟粘性土層時(shí)，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)多用于鋼筋混凝土多層框架房屋的建設(shè)，因?yàn)橹灰课莞叨炔怀^25m，即一般不高于8層的情況下，就不必驗(yàn)算地基抗震承載力了。但是風(fēng)荷載的影響在房屋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)還是必須考慮的，所以在整體計(jì)算分析鋼筋混凝土多層框架房屋時(shí)，需要輸入風(fēng)荷載。許多人就覺得在地震區(qū)以外，風(fēng)荷載一般在房屋建筑時(shí)不起作用就可不考慮甚至是忽略不計(jì)，這是及其錯(cuò)誤的。另外還有一點(diǎn)，頂面上的外荷載，即柱腳內(nèi)力設(shè)計(jì)值不能只取軸力設(shè)計(jì)值和彎矩設(shè)計(jì)值，無剪力設(shè)計(jì)值，或者只取軸力設(shè)計(jì)值甚至任意一項(xiàng)的值。這種情況會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尺寸偏小、配筋偏少，從而影響基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的安全或者造成事故。

2.2 框架計(jì)算簡(jiǎn)圖輸入錯(cuò)誤

設(shè)置拉梁層時(shí)，最好比較一下底層柱的配筋是由什么控制的，是基礎(chǔ)頂面處的截面控制還是基礎(chǔ)拉梁頂面處的截面控制。因?yàn)闊o地下室的鋼筋混凝土多層框架房屋，一般情況下，獨(dú)立基礎(chǔ)埋置較深，這樣對(duì)地基土就有約束作用，對(duì)于這種情況的基礎(chǔ)簡(jiǎn)圖，可寫地下室層數(shù)為1，再輸入電算程序總信息中，最好再?gòu)?fù)算，以防那個(gè)出錯(cuò)，兩次計(jì)算出來的結(jié)果形成包絡(luò)圖，就按照包絡(luò)圖對(duì)框架結(jié)構(gòu)底層柱進(jìn)行配筋。

2.3 基礎(chǔ)拉梁層的計(jì)算模型不準(zhǔn)確

基礎(chǔ)拉梁層的計(jì)算模型不符合實(shí)際情況的直接后果就是房屋平面不規(guī)則。究其原因是用TAT或SATWE等電算程序進(jìn)行框架整體計(jì)算時(shí)，樓板厚度應(yīng)取零（基礎(chǔ)拉梁層無樓板），同時(shí)定義彈性節(jié)點(diǎn)，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是要用總剛分析方法進(jìn)行分析計(jì)算。如果前兩者都做好了，就沒有用總剛分析，那么程序分析時(shí)自動(dòng)按剛性樓面假定進(jìn)行計(jì)算，這就與實(shí)際情況不相符，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致房屋平面不規(guī)則。

2.4 基礎(chǔ)拉梁的設(shè)計(jì)不合理

減小小底層柱的計(jì)算長(zhǎng)度和位移適宜用在多層框架房屋基礎(chǔ)埋深值較大時(shí)，也可在適當(dāng)?shù)奈恢没A(chǔ)拉梁，應(yīng)當(dāng)按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)并按規(guī)定的規(guī)范設(shè)置箍筋加密區(qū)而不宜按結(jié)構(gòu)要求設(shè)置。從抗震的角度考慮，應(yīng)采用短柱基礎(chǔ)。

2.5 框架結(jié)構(gòu)盡量避免設(shè)置帶樓電梯小井筒

井筒會(huì)吸收較大的地震剪力，這就減少了框架結(jié)構(gòu)承擔(dān)的地震剪力。但是井筒墻壁減薄，開豎縫、開洞等種種辦法使剛度弱化了也可以設(shè)計(jì)鋼筋混凝土井筒。要弱化井筒的影響，在配筋時(shí)適合配置單排的少量的鋼筋。應(yīng)特別注意的是在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)不能忽視按帶井筒的框架復(fù)核，同時(shí)加強(qiáng)與墻體相連的柱子的配筋。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)出屋頂?shù)臉请娞蓍g和水箱間這樣的結(jié)構(gòu)，不應(yīng)采用砌體墻承重，適合采用框架承重。

2.6 結(jié)構(gòu)計(jì)算中重要參數(shù)的合理確定

結(jié)構(gòu)計(jì)算的所有結(jié)果，包括：樓層地震剪力系數(shù)，墻和柱的軸壓比及墻、柱、梁和板的配筋，樓層的側(cè)向剛度比，樓層彈性層間位移和彈塑性變形驗(yàn)算時(shí)樓層的彈塑性層間位移，框架—抗震墻結(jié)構(gòu)抗震墻承受的地震傾覆力矩與總地震傾覆力矩的比值，樓層彈性層間位移和彈塑性變形驗(yàn)算時(shí)樓層的彈塑性層間位移，結(jié)構(gòu)的自振周期，振型參與質(zhì)量系數(shù)等等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，要制定合理的結(jié)構(gòu)方案，填寫正確的抗震防裂度，合理選取各項(xiàng)參數(shù)，這十分重要。總之，結(jié)構(gòu)要認(rèn)真的判斷分析其是否合理、可行，確認(rèn)無誤才可用于設(shè)計(jì)。

3 高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)

1）周期折減系數(shù)在高層結(jié)構(gòu)的周期分析中，很容易忽略掉非結(jié)構(gòu)的砌體填充墻所帶來的影響。顯然，周期的折減應(yīng)考慮到非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件的影響作用，而且不同的結(jié)構(gòu)類型和填充墻的形式也決定了周期折減系數(shù)的取值。

2）選擇足夠的振型數(shù)目通常對(duì)于規(guī)則高層建筑而已，選擇其前三階振型計(jì)算即可滿足計(jì)算要求，在分析的過程中，應(yīng)依據(jù)規(guī)范要求對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理判斷。但對(duì)于一些不規(guī)則的高層結(jié)構(gòu)而已，或者對(duì)于一些有特殊構(gòu)件的結(jié)構(gòu)而已，局部的振動(dòng)也必然存在，此時(shí)因根據(jù)具體的振動(dòng)特性來選擇振型數(shù)目的取值。

3）明確多塔之間的藕聯(lián)計(jì)算在高層建筑結(jié)構(gòu)形式中，主塔建筑和裙塔建筑構(gòu)成的藕聯(lián)體系是一種常見的結(jié)構(gòu)形式，按結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體并按多塔類型進(jìn)行計(jì)算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開進(jìn)行計(jì)算是滿足力學(xué)基本要求的規(guī)定，但是很多工程師為了計(jì)算的方便通常都是分開單獨(dú)計(jì)算，這樣處理顯然是存在問題的。當(dāng)多塔間剛度相差較大的時(shí)候，兩者之間就存在“耦合效應(yīng)”，此時(shí)若忽視掉就必然使得塔樓的計(jì)算誤差仍然有較大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。

4 結(jié)論

總之，隨著高層建筑規(guī)模和型式的不斷發(fā)展，追求結(jié)構(gòu)形式日益新穎，對(duì)于日益復(fù)雜的建筑，必須結(jié)合實(shí)際情況，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)該進(jìn)行認(rèn)真的分析和計(jì)算，加強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)施。只有這樣對(duì)其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、安全性、可靠性作充分的考慮和分析才會(huì)設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的機(jī)構(gòu)體系。

[1]方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]胡文湛.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J].江西建材，2006（1）.

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1674-6708（2010）22-0044-02