劉曉光

（湖南省建筑科學(xué)研究院 湖南長沙 410000）

高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

劉曉光

（湖南省建筑科學(xué)研究院 湖南長沙 410000）

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和人們住房需求的不斷提高帶動著建筑開發(fā)項目的增多，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計也越來越復(fù)雜。而鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計成為工程設(shè)計工作重中之重。本文對鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些要點進(jìn)行探析，為高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

高層建筑；鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

混凝土作為目前世界上最大的商品之一是因為混凝土具有較好的延性和較高的強(qiáng)度，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中被廣泛使用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計環(huán)境要求選擇混凝土強(qiáng)度等級。由于在設(shè)計過程中設(shè)計人員的不同而導(dǎo)致設(shè)計風(fēng)格和理念有差異，因此在設(shè)計過程中會存在不同的設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量也會有所差異。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的原理及特性

廣義上的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由在混凝土中配有一定數(shù)量的鋼筋而形成的新型結(jié)構(gòu)。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋主要承受拉力而混凝土主要承受壓力，混凝土和鋼筋共同工作使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗壓和抗拉性能、延性、耐久性等，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到使用要求。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有這些優(yōu)良的性能，尤其在防火性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼結(jié)構(gòu)，因此綜合性價比較高，工程造價較低，在工程上被普遍使用。

素混凝土結(jié)構(gòu)是由純混凝土組合而成具有較好的抗壓性能，但是抗拉性能和延性較差，因此為改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉性能和延性需要在混凝土結(jié)構(gòu)中布置鋼筋，極大改善混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能和使用性能，抵抗外部荷載，增加其耐久性能。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要特性表現(xiàn)在其熱脹冷縮和延性等反應(yīng)中?；炷两Y(jié)構(gòu)在水泥水化反應(yīng)過程和季節(jié)交替時的熱脹冷縮過程中使得混凝土具有拉應(yīng)力，混凝土內(nèi)的鋼筋產(chǎn)生壓應(yīng)力，這時應(yīng)對混凝土材料本身進(jìn)行設(shè)計，改善混凝土結(jié)構(gòu)的收縮性能。通?；炷恋难有院突炷恋膹?qiáng)度有著直接關(guān)系，強(qiáng)度越高延性越差，因此在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工程具體情況選擇不同強(qiáng)度的混凝土。一般的混凝土在-40～60°C時具有較好的、穩(wěn)定的物理性能，因此在低于或者高于規(guī)定環(huán)境時應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)采取一定措施防止混凝土凍害或者膨脹破壞。

2 工程概況

本項目位于湘陰縣，為一棟高層綜合樓建筑，主要功能為酒店式公寓和辦公，地上24層，地下1層，共計25層，建筑主要屋面高度為94.9m，總建筑面積32844m2。本樓設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，該項目安全性評價報告給出的地震影響系數(shù)建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期Tg=0.45s，阻尼比取0.05。該地區(qū)重現(xiàn)期50年的基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，因該樓對風(fēng)荷載較為敏感，承載力設(shè)計時按基本風(fēng)壓的1.1倍采用，即0.495kN/m2。場區(qū)地面粗糙度為B類，風(fēng)壓體型系數(shù)取1.4。墻柱混凝土1～8層為C45，梁板混凝土為C35，9～14層墻柱混凝土為C40，梁板為C35，十四層以上墻柱為C35，梁板為C30，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

3 高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)建筑物所在地區(qū)和所擁有的建筑材料采用合理的設(shè)計，如抗震要求、高度限制、地理環(huán)境要求、對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計等，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中可能會和建筑設(shè)計有沖突，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)和建筑設(shè)計綜合考慮，對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，不失建筑風(fēng)格的美觀又不失結(jié)構(gòu)的安全性能。相對于建筑設(shè)計講，結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全度，尤其對于我國而言主要是提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸比例對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行恰當(dāng)劃分，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的橫豎向荷載分析，綜合考慮結(jié)構(gòu)所承受的多向應(yīng)力。

4 高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)體系

本塔樓屬高層建筑，結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，樓面為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板。塔樓在地面以上采用防震縫與裙房完全分開，結(jié)構(gòu)設(shè)計以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端?？蚣艚Y(jié)構(gòu)的受力特點是由框架和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成的新的受力形式，所以它的框架不同于純框架結(jié)構(gòu)中的框架，剪力墻在框剪結(jié)構(gòu)中也不同于剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻。因為，在較低的樓層，剪切位移是小的，則通過彎曲變形曲線鏡框，承擔(dān)大部分的水平剪切力的，上層是相反的，增加的剪切位移，存在通過拉動剪切變形幀以外的傾向曲線中，除了產(chǎn)生的水平力的負(fù)擔(dān)載荷幀，而且還附加水平剪切力的額外負(fù)擔(dān)拉回，不僅要承受水平剪切力負(fù)載生成，而且還因為該框架是一個附加的水平力承受負(fù)剪切，因此，即使上層樓，哪怕外荷載樓層的剪力較小，框架也會出現(xiàn)相當(dāng)大的剪切力。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計情況

本塔樓出裙房后建筑平面呈“扇”形，平面尺寸約為60.014m×19.1m，圖1為塔樓典型標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖。根據(jù)本塔樓平面布置特征，在建筑物端部兩側(cè)設(shè)置了鋼筋混凝土剪力墻，并在電梯井及樓梯間處設(shè)置鋼筋混凝土剪力墻一起形成組合抗側(cè)力構(gòu)件。鋼筋混凝土的底部加強(qiáng)部位的高度，從地下室頂板算起，取底部2層和墻體總高度的1/10二者的較大值：即底部加強(qiáng)部位取底部3層，高度為13.3m。

圖1 塔樓典型標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖

4.3 消防設(shè)計

針對消防方面，首先要優(yōu)化消防結(jié)構(gòu)的設(shè)計。為確保建筑居民的人身財產(chǎn)安全，消防設(shè)計理念以防為主，也可以設(shè)置消防應(yīng)急措施，確保最大程度的消防安全。消防設(shè)計中防火間距很重要，一定要根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行合理設(shè)置。還要根據(jù)建筑所在地的地形條件進(jìn)行設(shè)計，以提高該高層建筑與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。為了避免火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的人員疏散問題，一定要設(shè)置合理的疏散通道、防煙區(qū)和緊急避難場所。一要考慮防火墻、防火門和防排煙設(shè)備的設(shè)計，設(shè)計有效合理并且安全可靠的消防結(jié)構(gòu)，以降低高層建筑的破壞程度，保證居住者的人身財產(chǎn)安全。

4.4 抗震設(shè)計

對于地震方面的設(shè)計，主要是要優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)?？拐饐栴}，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的地位是不可小覷的。高層建筑本身的高度，使得其建筑要求較高，要優(yōu)化設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件位置，使得結(jié)構(gòu)壓力均勻分給每個構(gòu)件，不會出現(xiàn)承壓不均而導(dǎo)致地震時的嚴(yán)重破壞。對于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也要考慮其材料的安全性能。高層建筑的地震結(jié)構(gòu)設(shè)計，最重要的是對地基的選擇與設(shè)計，地基是建筑的根本，一旦發(fā)生破壞，上部結(jié)構(gòu)將無所依靠。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須重視地基的設(shè)計，優(yōu)化其抗震能力，設(shè)計出既節(jié)省材料又安全可靠的地基。以確保建筑物有足夠的強(qiáng)度和剛度抵抗地震的危害。在確保地基的強(qiáng)度后，還要考慮剪應(yīng)力的問題，采取強(qiáng)柱弱梁、加強(qiáng)梁柱節(jié)點抗震構(gòu)造措施、設(shè)置抗震墻等措施來抵抗水平剪力。建筑物在此基礎(chǔ)上還要考慮對稱性和穩(wěn)定性，盡量減少地震災(zāi)難的影響。

4.5 抗風(fēng)設(shè)計

抗風(fēng)方面的問題，對策是優(yōu)化抗風(fēng)結(jié)構(gòu)。抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計要綜合考慮多種因素，確保建筑物的抗風(fēng)能力?？癸L(fēng)結(jié)構(gòu)中對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)的設(shè)計時要保證在風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定性。確保地基穩(wěn)固的重要性不僅在抗震中有所體現(xiàn)，對抗風(fēng)載也起到重要作用。減振體系在高層建筑中的應(yīng)用受到廣泛歡迎，減震系統(tǒng)可以減少風(fēng)荷載對建筑物的影響，減振系統(tǒng)的選材將起到巨大作用，因為有些阻尼材料的應(yīng)用將大大提高高層建筑的抗風(fēng)能力。要嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計抗風(fēng)結(jié)構(gòu)，采取措施減小風(fēng)力在建筑物上的疊加和增強(qiáng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以減小普遍且危害頗多的風(fēng)壓破壞，為建筑物的安全性能提供安全保證。

4.6 構(gòu)件設(shè)計

據(jù)內(nèi)力計算組合結(jié)果，即可選擇各截面的最不利內(nèi)力進(jìn)行梁柱截面設(shè)計。設(shè)計公式為S≤R和S≤R/yRE（地震作用參與的組合）。柱的截面設(shè)計考慮強(qiáng)度、剛度、平面內(nèi)整體穩(wěn)定、平面外整體穩(wěn)定以及局部穩(wěn)定等方面。主梁設(shè)計模型按多跨連續(xù)梁考慮。截面設(shè)計考慮強(qiáng)度、剛度、局部穩(wěn)定等方面（由于采用壓型鋼板組合樓板，且有牢靠的連接，故不必驗算整體穩(wěn)定），次梁截面按兩端簡支考慮，由強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定等綜合確定。

4.7 工程地基與基礎(chǔ)設(shè)計問題

樓層越高，其對于地基的承載力的要求也就越高，這就意味著越高的樓層對于地基的要求要就越高，因而在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計時一定要重視其地基的設(shè)計。此外鋼筋混凝土建筑的地基基礎(chǔ)還影響著工程的造價，因而在進(jìn)行高層鋼筋混凝土建筑時一定要對于建筑當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)規(guī)章制度加以研究學(xué)習(xí)，以免在設(shè)計時由于認(rèn)識上的不足對于工程的建筑設(shè)計造成不必要的影響。高層鋼筋混凝土建筑的設(shè)計是一項極為復(fù)雜的工程，在設(shè)計的過程中任何一個環(huán)節(jié)的遺漏或是失誤都會導(dǎo)致設(shè)計方案存在問題，會導(dǎo)致建筑存在安全隱患。

5 結(jié)束語

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需要有才能的建筑行業(yè)者努力將施工技術(shù)精益求精，在精確的基礎(chǔ)上，盡量減少地區(qū)差異，將我國建成城市化、國際化的國家。同時對具有地方特色的建筑進(jìn)行保護(hù)和傳承。在此，希望各位同行在建筑行業(yè)不斷的總結(jié)出更加科學(xué)的施工技術(shù)，并積極的吸取國外先進(jìn)的施工技術(shù)，向其他同行傳播先進(jìn)的技術(shù)，我們共同進(jìn)步，為我國高層建筑的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。另外，在學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)的同時，創(chuàng)新為施工技術(shù)的發(fā)展增添活力，只有不斷創(chuàng)新，才能立于世界高層房屋建筑技術(shù)的前沿。

[1]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

TU973+.12

：A

：1673-0038（2015）05-0001-02

2014-12-10

劉曉光（1983-），男，工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。