張俊華

（重慶宏筑建筑設(shè)計(jì)有限公司 重慶渝北 400021）

淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

張俊華

（重慶宏筑建筑設(shè)計(jì)有限公司 重慶渝北 400021）

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，我國(guó)建筑工程設(shè)計(jì)行業(yè)呈現(xiàn)出了新的發(fā)展特點(diǎn)。高層建筑由于整體高度較高、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜以及受到較大的側(cè)向載荷等原因，其設(shè)計(jì)過(guò)程需要考慮的因素較多，這使得當(dāng)前在高層建筑的設(shè)計(jì)中還存在著值得探討的問(wèn)題。本文探討了當(dāng)前高層建筑設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性控制要點(diǎn)，并通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，具有一定借鑒價(jià)值。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；存在問(wèn)題；解決措施

引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)的建筑行業(yè)得到飛速發(fā)展，人們對(duì)于高層建筑的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范與否直接決定著高層建筑質(zhì)量的優(yōu)劣，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑工程中顯得尤為重要。所以當(dāng)務(wù)之急就是盡快地提高行業(yè)內(nèi)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能力，抓住其特點(diǎn)，遵循設(shè)計(jì)原則，尋求創(chuàng)新與突破。

1 當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題

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

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗側(cè)力問(wèn)題

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)在水平荷載作用上，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(wèn)題。

1.2 高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)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(méi)有對(duì)荷載進(jìn)行全面的考慮，在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，沒(méi)有進(jìn)行沖切、抗剪和抗彎的處理。在進(jìn)行局部填土、隔墻設(shè)置等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都沒(méi)有對(duì)荷載偏心的影響進(jìn)行考慮。

1.3 高層建筑軸壓比控制問(wèn)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。

1.4 高層建筑連梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

高層建筑的連梁設(shè)計(jì)包括截面的尺寸、剪壓比的限制、連梁的剪力設(shè)計(jì)取值等等。如果高層建筑中對(duì)連梁的設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確，截面高度過(guò)大，跨度過(guò)小，就會(huì)影響高層建筑的抗震效果。一旦發(fā)生地震，連梁的剪力和彎矩過(guò)大，難以達(dá)到相應(yīng)的抗震規(guī)范，影響高層建筑的使用安全。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性控制要點(diǎn)研究

2.1 高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性控制

（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(guò)大的時(shí)候要對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)配筋。

（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)，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）在對(duì)箱基進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意對(duì)洞口上下的連梁進(jìn)行考慮，驗(yàn)算其截面面積，如果洞口大小或者位置出現(xiàn)修改，要對(duì)連梁抗剪強(qiáng)度和抗彎進(jìn)行復(fù)核。

（5）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。

2.2 高層建筑軸壓比設(shè)計(jì)合理性控制

一般來(lái)說(shuō)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)，還可以使用其他方法來(lái)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(guò)對(duì)混凝土的橫向變形進(jìn)行約束，來(lái)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(lái)說(shuō)直徑在8mm以上，間距在100mm以內(nèi)，肢距在100mm以內(nèi)。如果采用復(fù)合螺旋箍進(jìn)行沿柱全高，則要保證8mm以上的箍筋直徑，100mm以內(nèi)的螺距和100mm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(guò)C60。

2.3 高層建筑連梁設(shè)計(jì)合理性控制

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(guò)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(guò)內(nèi)力的計(jì)算之后都比較大，因此無(wú)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。若連梁的超筋較多，可以對(duì)連梁的高度進(jìn)行減小，以減小剪力和彎矩。

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

3.1 工程概況

某工程建筑面積約51000m2，地上9層，地下1層，總高度47.5m，1～3層層高5.4m，4～9層層高4.5m，夾層層高4.0m。采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖如圖1所示。本工程抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防，基本地震加速度為0.1g，地震分組為第一組，特征周期為0.65s，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖

3.2 結(jié)構(gòu)體系

在框架結(jié)構(gòu)平面的適當(dāng)部位設(shè)置剪力墻，形成框架剪力墻結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖布置如圖2所示。震害表明，框架剪力墻結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)在減輕框架及非結(jié)構(gòu)部件的震害方面有明顯的優(yōu)越性，剪力墻可以控制層間位移，降低了對(duì)框架的延性要求，簡(jiǎn)化了抗震措施。同純框架結(jié)構(gòu)相比，加上剪力墻后結(jié)構(gòu)的耗能能力為同高度框架結(jié)構(gòu)的20倍左右。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖

3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

（1）0.2Qo的調(diào)整。以地上9層作為1段進(jìn)行框架部分承擔(dān)的地震剪力復(fù)核，結(jié)果顯示僅1層Y向框架達(dá)不到20%，為滿足框架作為結(jié)構(gòu)抗震第2道防線的要求，對(duì)1層框架地震剪力放大1.230從而滿足規(guī)范0.2Qo調(diào)整的要求。

（2）剪力墻約束邊緣構(gòu)件的設(shè)置。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，取底部?jī)蓪雍蛪w總高度的1/10，二者的較大值作為底部加強(qiáng)部位，初步計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)約束邊緣構(gòu)件的縱筋配筋率超規(guī)范，后在計(jì)算時(shí)提高了剪力墻的豎向分布筋的配筋率，約束邊緣構(gòu)件的縱筋配筋率就在規(guī)范的允許范圍內(nèi)了。

（3）超長(zhǎng)現(xiàn)澆板計(jì)算與設(shè)計(jì)。本工程X方向現(xiàn)澆板長(zhǎng)為84m，Y方向現(xiàn)澆板長(zhǎng)為72m，均比混凝土構(gòu)件的建議長(zhǎng)度長(zhǎng)很多。而建筑平面不允許分縫，最終確定采用無(wú)縫的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)采用PMSAP軟件對(duì)樓板的溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示2層、3層及頂層的溫度應(yīng)力較大。超長(zhǎng)溫度應(yīng)力控制具體到施工圖中為以下三方面措施：①所有樓層在兩個(gè)方向上均設(shè)置溫度后澆帶；②2層、3層及頂層結(jié)合現(xiàn)澆空心板，沿板肋方向每個(gè)肋中設(shè)置3Uφs15.2（9）（60，60，60）溫度預(yù)應(yīng)力鋼筋；③樓板采用雙層雙向配筋，實(shí)配鋼筋比計(jì)算值有所加強(qiáng)。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

（1）結(jié)構(gòu)選型。本工程為適應(yīng)使用功能的要求，保證結(jié)構(gòu)的抗震性能，考慮水平地震作用時(shí)，采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，不考慮豎向地震作用的影響。

（2）結(jié)構(gòu)計(jì)算主要參數(shù)。計(jì)算振型個(gè)數(shù)：18；周期折減系數(shù)：0.8s；連梁折減系數(shù)：0.5；中梁剛度放大系數(shù)：2；梁扭矩折減系數(shù)：0.40。

（3）結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt=1.2418s，結(jié)構(gòu)平動(dòng)為主的第一自振周期T1=1.5617s，Tt/T1=0.7952。X向剛重比EJd/GH2= 6.26，Y向剛重比EJd/GH2=6.48，該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2>1.4，能夠通過(guò)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的整體穩(wěn)定驗(yàn)算；該工程結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2>2.7，可以不考慮重力一階效應(yīng)。X方向最大層間位移角1/918<1/800，Y方向最大層間位移角1/1013<1/ 800。X方向的位移比為1.29，Y方向的位移比為1.34。X方向的有效質(zhì)量及剪重比為99.45%，2.71%>1.6%，Y方向的有效質(zhì)量及剪重比為99.58%，2.83%>1.6%。

3.5 地下室及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

（1）地下室。本工程設(shè)1層地下室，主要為汽車停車庫(kù)以及消防水池、消防泵房等設(shè)備和輔助用房，層高5.300m，外墻為350mm厚混凝土墻，底板厚400mm，頂板厚180mm。X及Y方向均設(shè)置兩道溫度后澆帶，貫穿底板外墻及頂板。地下室占地面積較1層面積大，局部挑出主樓，為滿足抗浮設(shè)計(jì)，在這些挑出部分設(shè)置抗拔樁用來(lái)抗浮。

（2）基礎(chǔ)方案。本工程主樓樁基的持力層為粘土，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為5800kN。但該場(chǎng)地原有建筑下已有樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用異形承臺(tái)，避開(kāi)原有樁基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的過(guò)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)還要考慮如何合理地選擇結(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)中依舊存在著很多的問(wèn)題，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)。

[1]孫凱.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策探討[J].價(jià)值工程，2011，25：88～89.

[2]鐘國(guó)華.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型探討[D].重慶大學(xué)，2006.

[3]沈榮飛.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2007.

[4]趙東曉.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題與對(duì)策研究[J].商品混凝土，2012，09：132～133.

TU973

A

1673-0038（2015）01-0019-03

2014-12-16

張俊華（1976-），男，工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。