鐘毅

摘要：伴著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛快發(fā)展，高層建筑已變成了社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的重要衡量指標(biāo)，它的類型與功能的繁雜話，使得其結(jié)構(gòu)體系也變得愈加多樣化，這無疑會(huì)導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變成建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。筆者將在本文中以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特性為入手點(diǎn)全方位地研析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中所出現(xiàn)的一些問題，以供參考。

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

前言：

在我國建筑業(yè)的飛快發(fā)展的推動(dòng)下，建筑技術(shù)以驚人的速度在向前發(fā)展。然而，由于高層建筑缺少足夠的可利用的土地，故對(duì)豎向空間的合理利用已轉(zhuǎn)變成當(dāng)前建筑工程的大勢所趨。因高層建筑結(jié)構(gòu)繁雜、管理程序復(fù)雜、質(zhì)量很難得到確保、層數(shù)多、周期長、施工量大等特殊性，在實(shí)際設(shè)計(jì)施工過程中出現(xiàn)了不少的問題。本文筆者將站在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行分析，謹(jǐn)遵設(shè)計(jì)原則對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中所出現(xiàn)的問題展開匯總與剖析，以供參考。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征

1.1水平荷載起決定性影響。由于高層建筑結(jié)構(gòu)的效用及自身的重量在它的上方的使用荷載，也就是說，在豎構(gòu)件中總荷載衍生出的彎矩與軸力的數(shù)值，和建筑高度的一次方之間只成正比例的關(guān)系，而對(duì)結(jié)構(gòu)水平荷載形成的傾覆力矩與由其在豎構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的軸力，與建筑高度的兩次方之間也是成正比例的關(guān)系。因此，對(duì)于高層建筑來講，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和其他容易造成水平荷載的地震力的數(shù)值大小，也就是水平荷載大小是隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力特點(diǎn)的不同而有較大幅度變化。因此，水平荷載高層建筑的一個(gè)主要的決定性因素。

1.2 軸向變形的影響不能忽視。高層建筑結(jié)構(gòu)中，總的豎向載荷數(shù)值很大，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)生較大的直接影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩減小，跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大。同時(shí)，軸向變形還會(huì)對(duì)預(yù)測構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響。因而要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對(duì)下料長度進(jìn)行調(diào)整，避免因下料不足引起不安全后果。另外，軸向變形還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件剪力和側(cè)向位移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會(huì)得出偏于不安全的結(jié)果。

1.3 結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移是主要控制指標(biāo)。相對(duì)于低層建筑結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。在高度不斷增加的條件下，側(cè)向位移的變形就取決于水平荷載的大小，荷載越大，側(cè)向位移越大。因此，要將結(jié)構(gòu)的側(cè)移控制在安全容許范圍內(nèi)，以免對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生不利影響。

1.4結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。相對(duì)于普通低層建筑而言，高層建筑的結(jié)構(gòu)更具有柔韌性，整體的結(jié)構(gòu)變形會(huì)更大一些。在地震作用下，結(jié)構(gòu)的彈性階段的變化是可以恢復(fù)的，過了彈性階段在進(jìn)入塑性變形階段后，為了使高層建筑結(jié)構(gòu)仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，特別需要在構(gòu)造上采取適當(dāng)?shù)拇胧瑏肀ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見問題分析

根據(jù)上述高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，依據(jù)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合工程實(shí)踐，從以下幾個(gè)方面對(duì)設(shè)計(jì)中遇到的問題進(jìn)行總結(jié)分析，并提出注意事項(xiàng)和相關(guān)處理方法。

2.1結(jié)構(gòu)的高度問題。在抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和高層建筑混凝土技術(shù)相關(guān)規(guī)范中，對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度有著嚴(yán)格的限制。新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問題，將原來的限制高度設(shè)定為A級(jí)高度，并且增加了B級(jí)高度，而且其處理措施與設(shè)計(jì)方法都有較大改變。對(duì)于超高限的建筑，在地震力作用下會(huì)發(fā)生巨大的破壞形態(tài)，高度越大，影響因素越多，有時(shí)會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，若忽略高度問題，就會(huì)帶來因施工圖審查時(shí)未通過，而進(jìn)行重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。開專家會(huì)議進(jìn)行論證也會(huì)對(duì)工程工期、造價(jià)等整體規(guī)劃產(chǎn)生影響。隨著建筑高度的增加，影響因素將會(huì)發(fā)生質(zhì)變，一些參數(shù)本身超出了容許范圍，如安全指標(biāo)、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選取等。

2.2 結(jié)構(gòu)體系的選取問題。采用何種結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)人員重視的問題，鋼結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)構(gòu)是目前國內(nèi)外主要的結(jié)構(gòu)形式。在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時(shí)，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變，常常會(huì)使與加強(qiáng)層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大，且加強(qiáng)層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁。在需要設(shè)置加強(qiáng)層及轉(zhuǎn)換層時(shí)，要慎重選擇其結(jié)構(gòu)模式，盡量降低其本身剛度，以減少不利影響。在高層建筑中，根據(jù)現(xiàn)在我國建筑鋼材的類型、品種和鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力，建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土（柱）結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)。

2.3結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)問題。主要從以下三點(diǎn)來考慮：

①結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。新規(guī)范要求建筑物不能采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案，平面規(guī)則性、嵌固端上下層剛度比等方面也做了嚴(yán)格的限值。設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格遵循新規(guī)范的要求，必須予以注意，以避免在后期施工圖設(shè)計(jì)階段造成不便。

②短肢剪力墻的設(shè)置。在高層建筑中，短肢剪力墻的應(yīng)用受到相當(dāng)多的限制，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻。

③嵌固端的設(shè)置。由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端可以設(shè)置在地下室頂板，也可設(shè)置在人防頂板位置。因此，嵌固端設(shè)置問題上，設(shè)計(jì)人員往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面。如：嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級(jí)的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)嵌的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等問題。忽略其中任何一個(gè)方面都有可能埋下安全隱患，導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)工作的大量修改。

2.4結(jié)構(gòu)抗震問題。高層建筑結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，致使幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心不重合，會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在地震荷載作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大危害，從而加劇了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞。現(xiàn)在多數(shù)高層建筑距離非常近，很容易對(duì)鄰近建筑物造成危害。因此要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能。相關(guān)資料和一些力學(xué)分析表明，結(jié)構(gòu)在凹凸拐角處容易造成應(yīng)力集中，尤其體現(xiàn)在非對(duì)稱結(jié)構(gòu)中。在對(duì)稱結(jié)構(gòu)中也因注意凸出部位的尺寸，采取有效的補(bǔ)救措施。另外，結(jié)構(gòu)在豎向方面的剛度的不均勻不連續(xù)，容易出現(xiàn)剛度突變和軟弱層，因而在建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要全力避免。結(jié)構(gòu)的防震縫設(shè)置是結(jié)構(gòu)整體的柔韌性的關(guān)鍵，設(shè)置與否也是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程中容易忽視的問題。我國目前的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)與建筑物的抗震提出三大水準(zhǔn)的設(shè)防要求、兩階段的設(shè)計(jì)方式。第一階段的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)運(yùn)用第一水準(zhǔn)烈度的地震參數(shù)，從而計(jì)算出建筑結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)之下的地震效應(yīng)及構(gòu)件的截面大小。在第二階段的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)采用第三水準(zhǔn)烈度的地震參數(shù)核算結(jié)構(gòu)薄弱層，或者對(duì)薄弱環(huán)節(jié)彈塑性層間進(jìn)行側(cè)向位移或轉(zhuǎn)角進(jìn)行核算，從而使設(shè)計(jì)小于規(guī)范所規(guī)定之限值。

三、結(jié)束語

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，不僅要從理論上重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，還得充分考慮影響因素，作出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇。設(shè)計(jì)人員因依照詳細(xì)實(shí)情展開具體地剖析，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系選型的過程中全方位地思量高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性，堅(jiān)持有關(guān)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，以防止再次出現(xiàn)以上所說的設(shè)計(jì)問題。

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