廣東省高州市建筑設(shè)計(jì)院 525200

摘要：本文通過對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問題進(jìn)行探討，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出具體建議。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；計(jì)算方法；計(jì)算結(jié)果

隨著人們對建筑功能要求的多樣化，建筑類型和功能愈來愈復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化，出現(xiàn)了各種形式的多塔、錯(cuò)層、帶轉(zhuǎn)換層、樓板局部開大洞的結(jié)構(gòu)類型，其中立面布置也越來越復(fù)雜。下面就本人在這幾年的設(shè)計(jì)實(shí)踐中的一些體會(huì)進(jìn)行總結(jié)。

1高層建筑的結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)中，要進(jìn)行方案的比較，最終確定高層建筑的結(jié)構(gòu)方案，而結(jié)構(gòu)方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)乃至整個(gè)高層建筑的設(shè)計(jì)中起決定性的作用。在高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)過程中，需要進(jìn)行各種適宜方案的比較分析，結(jié)構(gòu)工程師需要具備豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。我們研究開發(fā)高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)的根本目的就是：建立一個(gè)知識(shí)系統(tǒng)，為高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)提供切實(shí)可行的方案，來進(jìn)行智能化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

2結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一環(huán)，結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)中的失誤是無法在施工圖設(shè)計(jì)中彌補(bǔ)的。工程師在確定結(jié)構(gòu)初步方案時(shí)往往不是依靠計(jì)算而是靠與過去已建方案的比較，也就是說，主要是一個(gè)分布信息的映射過程。盡管有時(shí)需要進(jìn)行一些試分析，所需要的計(jì)算精度也不高。此外，在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段必須考慮到各種工種的配合，特別是與建筑、設(shè)備和環(huán)境工種的相互配合。因此各結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定必須滿足多目標(biāo)的要求，各種影響因素的關(guān)系常常是一種網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。最后方案的選取在一定程度上因人而異，有一定的靈活性。許多結(jié)構(gòu)物的概念特征都在初步設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。

3高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的內(nèi)容

高層建筑的定義并不取決于它的高度或?qū)訑?shù)，最重要的準(zhǔn)則在于它的設(shè)計(jì)是否受到某些“高度”特性的影響：高層建筑的“高度”強(qiáng)烈地影響著其規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造和使用；高層建筑的“高度”使得它與“常規(guī)”建筑有較大的區(qū)別。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是純推理問題，其方案設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)有著緊密的聯(lián)系。為此，在進(jìn)行建筑平面布置、確定立面造型與剖面構(gòu)造的同時(shí)，就要充分考慮結(jié)構(gòu)方案的可行性，其中包括材料的選用與施工條件等現(xiàn)實(shí)問題。高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的首要問題是在上述約束下做出結(jié)構(gòu)體系優(yōu)選的決策。就國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，從結(jié)構(gòu)體系來分，主要有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架；剪力墻結(jié)構(gòu)、框架；筒體結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)以及巨型框架結(jié)構(gòu)。一般結(jié)構(gòu)要同時(shí)承受垂直荷載和水平荷載，還要抵抗地震作用。高層建筑由抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系和抗重力結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成。在高層建筑中，水平荷載和地震作用是控制因素。高層建筑設(shè)計(jì)不僅需要較大的承載能力，而且需要較大的側(cè)向剛度，使水平荷載產(chǎn)生的側(cè)向變形限制在一定范圍內(nèi)。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵。高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是確定一個(gè)結(jié)構(gòu)安全合理、滿足建筑功能要求、經(jīng)濟(jì)上合理的結(jié)構(gòu)方案。

4計(jì)算模型的選取

由于建筑都是空間整體的，在當(dāng)今計(jì)算機(jī)使用普及和要求計(jì)算分析精度的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用基于空間作用的計(jì)算機(jī)分析方法及相應(yīng)軟件。

4.1 樓板變形比較顯著的結(jié)構(gòu)

在下列情況下，樓板變形比較顯著，樓板平面內(nèi)剛度無限大的假定不符合實(shí)際情況，應(yīng)對采用剛性樓面假定的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，或采用樓板面內(nèi)為半剛性的計(jì)算方法。①樓面有很大的開洞或缺口，樓面寬度狹窄；②平面上有較長的外伸段；③底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層樓面；④錯(cuò)層結(jié)構(gòu)；⑤樓面的整體性較差。

4.2 多塔樓結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

對于大底盤結(jié)構(gòu)，如果把裙房部分按塔樓的形式切開計(jì)算，則下部裙房及基礎(chǔ)的計(jì)算誤差較大，且各塔樓之間相互影響無法考慮。因此應(yīng)先進(jìn)行整體計(jì)算，按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》取夠振型數(shù)，并考慮塔樓之間的相互影響。計(jì)算時(shí)，假定樓板面內(nèi)分塊無限剛。

4.3 帶轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層以及連體的結(jié)構(gòu)

對帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)、帶加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用合適的計(jì)算單元進(jìn)行分析。在整體分析后，應(yīng)對簡化處理過的轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層及連接體進(jìn)行更細(xì)致的應(yīng)力分析。

4.4 關(guān)于結(jié)構(gòu)底部的嵌固部位的確定

建筑物，尤其時(shí)高層建筑，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析之前，必須首先確定結(jié)構(gòu)嵌固端所在的位置。嵌固端的正確選取是高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中的一個(gè)重要假定，它不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件內(nèi)力分配的準(zhǔn)確性，而且還影響到結(jié)構(gòu)局部的經(jīng)濟(jì)性。確定嵌固部位可通過剛度和承載力調(diào)整迫使塑性鉸在預(yù)期部位出現(xiàn)，但嵌固端的選取卻可能因?yàn)榻ㄖ锏母鞣N不同情況：

（1）不設(shè)地下室但基礎(chǔ)埋深較大。

（2）有地下室，但地下室層數(shù)有多有少，而且基礎(chǔ)形式不同，產(chǎn)生不同的技術(shù)問題。

4.4.1 單層地下室

當(dāng)高層建筑僅設(shè)一層地下室時(shí)，其嵌固端位置需視情況而定。首層樓面留有大洞，或選用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)時(shí)，一般取地下室底板為結(jié)構(gòu)嵌固端；當(dāng)?shù)叵率易鳛榉揽盏叵率业那闆r，因?yàn)榉揽盏叵率抑敯逋ǔ＞哂凶鳛榻Y(jié)構(gòu)嵌固端的剛度，因此可取其頂板處為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。

4.4.2 無地下室

高層建筑不設(shè)地下室通常是針對層數(shù)有限的小高層，或者其基礎(chǔ)持力層較淺的情況。從抗震角度考慮，不提倡不設(shè)地下室。無地下室的高層建筑，不管是采取天然地基基礎(chǔ)抑或采用樁基礎(chǔ)，如要以基礎(chǔ)（承臺(tái)）面為結(jié)構(gòu)嵌固端，則必須在該標(biāo)高處的縱橫方向設(shè)置剛度較大的基礎(chǔ)梁加以連結(jié)，首層計(jì)算層高應(yīng)從基礎(chǔ)面算起；倘若基礎(chǔ)（承臺(tái)）面標(biāo)高處無基礎(chǔ)梁連結(jié)或者所設(shè)的基礎(chǔ)梁剛度過弱，但地面標(biāo)高處設(shè)有剛性地面，則此剛性地面可作為嵌固端，其首層計(jì)算層高可從地面算起。

4.4.3 多層地下室

帶多層地下室的建筑，宜將上部結(jié)構(gòu)的嵌固端部位設(shè)在地下室頂板，此時(shí)應(yīng)滿足下列條件：

（1）地下室頂板標(biāo)高與室外地坪的高差不能太大，一般應(yīng)小于地下一層層高的1/3；

（2）若由于地下室大部分頂板降板或地下一層為車庫（墻體少）等使用要求，不能滿足地下頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固部位的要求時(shí)，對于層數(shù)為三層或三層以上的地下室，可將結(jié)構(gòu)嵌固部位置于地下1 層底板，此時(shí)除應(yīng)滿足規(guī)范所要求的其他條件外（但部位相應(yīng)由地下室頂板改為地下一層），還應(yīng)滿足下列條件：①地下一層樓層剪切剛度應(yīng)大于地上一層樓層剪切剛度；② 地下二層樓層剪切剛度應(yīng)大于地下一層樓層剪切剛度，并應(yīng)大于地上一層樓層剪切剛度的2.0 倍；

（3）地下室頂板結(jié)構(gòu)應(yīng)為梁板體系，且該層樓面不得留有大孔洞，樓面框架梁的抗彎剛度要足夠大；

（4）地下室柱截面每側(cè)截面的縱向鋼筋面積，除應(yīng)滿足計(jì)算要求外，不應(yīng)少于地上一層對應(yīng)柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1 倍；

（5）地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受上部結(jié)構(gòu)屈服超強(qiáng)及地下室本身的地震作用，地下室的樓層剪切剛度不小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層剪切剛度的2 倍；

（6）計(jì)算多塔大底盤地下室樓層剪切剛度比時(shí)，大底盤地下室的整體剛度與所有塔樓的總體剛度比應(yīng)滿足上述第4 款的要求，每棟塔樓范圍內(nèi)（塔樓周邊向外擴(kuò)出與地下室高度相等的水平長度）的地下室剪切剛度與相鄰上部塔樓的剪切剛度比不宜小于1.5。

5 結(jié)束語

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，它要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員既要有扎實(shí)的理論功底，又要有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，這樣設(shè)計(jì)出來的建筑物才能達(dá)到既安全、可靠，又經(jīng)濟(jì)、合理。