顏國立

（廣州市設(shè)計(jì)院，廣東廣州 510620）

0 引言

近年來，隨著我國城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高層建筑的建設(shè)數(shù)量不斷增多，結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，很多新型的設(shè)計(jì)方案以迅猛的速度呈現(xiàn)在城市的建設(shè)之中，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中既要適應(yīng)市場需求，又要滿足規(guī)范要求，還要進(jìn)行必要的抗震設(shè)計(jì)，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也越來越成為設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)工作，在這種形式下，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變得極其重要。本文結(jié)合工作實(shí)踐，主要論述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則及注意問題。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的選型

高層建筑物抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量及其合理程度會(huì)直接關(guān)系到整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)是否合理，此外該結(jié)構(gòu)體系的合理與否在很大程度上關(guān)系到施工成本與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的組成體系目前來說主要有以下幾個(gè)方面：框架、筒中筒、剪力墻、框架-剪力墻以及框架-核心筒等等。在實(shí)際施工對抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的選擇其實(shí)并沒有統(tǒng)一規(guī)范的選擇標(biāo)準(zhǔn)或體系，大多是施工方或相關(guān)技術(shù)部門根據(jù)建筑施工的功能、環(huán)境等實(shí)際條件的約束來進(jìn)行選擇或改變的，每一種結(jié)構(gòu)體系都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，因此結(jié)構(gòu)工程師在選擇時(shí)必須要進(jìn)行實(shí)地考察對比與研究，結(jié)合實(shí)際情況選擇合理且經(jīng)濟(jì)有效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)類型。對于不同類型各自的特點(diǎn)：①框架結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)類型的建筑其對平面設(shè)計(jì)與布局的約束較小，其構(gòu)建類型數(shù)目少，因而平面布置較為靈活，且設(shè)計(jì)階段與施工過程較為簡單易于操作，但該結(jié)構(gòu)類型的缺陷在于抗側(cè)的剛度較小，若建筑物過高，梁柱截面比較大會(huì)影響室內(nèi)空間的大小及使用；②剪力墻的結(jié)構(gòu)類型整體性比較好，抗側(cè)剛度比較大，受力側(cè)移現(xiàn)象小，但在進(jìn)行平面布局的過程中比較煩瑣且不夠靈活，通常會(huì)在住宅和旅館中使用；③框架-剪力墻結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)類型結(jié)合了剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)二者的優(yōu)勢，能夠被設(shè)計(jì)為雙重抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念在于要考慮剪力墻的安置設(shè)計(jì)要均勻，剛心和質(zhì)心二者之間最好要重合或者相互接近，但剪力墻在數(shù)量上不宜太多，通常認(rèn)為達(dá)到規(guī)范中要求的側(cè)移限值即可；④框架-核心筒結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)的受力性能和第三種結(jié)構(gòu)類型相近，此外該結(jié)構(gòu)因?yàn)橥饪蚣苤g的相互間距比較大，能夠使得建筑物的空間相應(yīng)較大并且比較靈活，有很好的采光性能，一般是樓層較高的公共建筑或者高層辦公建筑首先考慮的結(jié)構(gòu)類型[1]。當(dāng)建筑物的高度比較高時(shí)，還可以通過增加申臂來實(shí)現(xiàn)減小側(cè)移的目的。筒中筒結(jié)構(gòu)因?yàn)橹啾容^小因而近年來都不予以考慮應(yīng)用。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

（1）設(shè)計(jì)主導(dǎo)目標(biāo)要參照剛度、延性以及承載力方面的要求，采用多道防線以及剛?cè)嵯嗷ソY(jié)合的結(jié)構(gòu)類型。

（2）在設(shè)計(jì)時(shí)若要用到計(jì)算公式，首先考慮采用最簡單、直接、常用且概念清晰的公式進(jìn)行運(yùn)算，通過對公式的合理選擇可以將建筑結(jié)構(gòu)的傳受力途徑更加清晰、明確、簡潔地呈現(xiàn)。此外在設(shè)計(jì)過程中最好盡量規(guī)避以抗扭作為主導(dǎo)的關(guān)鍵性傳力構(gòu)件的應(yīng)用[2]。

（3）為了減小或者盡可能杜絕風(fēng)荷載或者地震作用發(fā)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在布置的過程中要盡可能是平面上的正交抗側(cè)力剛度的中心，即所說的剛心和建筑物的表面受力，即風(fēng)力的作用中心或質(zhì)心相互重合，或者靠近。

（4）構(gòu)件的設(shè)計(jì)要均勻且連續(xù)，杜絕軟弱層、上下層彎曲剛度與軸壓剛度突變的現(xiàn)象。

（5）要重視結(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)理，在設(shè)計(jì)規(guī)劃過程中參照規(guī)范與相應(yīng)機(jī)理。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，工作人員必須要選擇合適的材料，對抗?jié)B等級進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，對結(jié)構(gòu)建厚度進(jìn)行科學(xué)的調(diào)整?？刂坪檬芰︿摻畹呐浣盥?，能有效的改善鋼筋的特性，防止混凝土出現(xiàn)崩潰的現(xiàn)象。因此，在開展結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，工作人員必須要控制好結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的實(shí)際尺寸，不僅要滿足最小配筋率的實(shí)際要求，還要滿足建筑對成本、柱距以及層高的要求。另外，為了提高高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對于大尺寸墻體而言，工作人員需要雙向、雙層的布置鋼筋，還要設(shè)置梅花形的拉筋。通過此種操作，能大大提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 屋面活荷載取值

框架荷載的相關(guān)參數(shù)經(jīng)多年實(shí)踐驗(yàn)證科學(xué)且合理，已在工程建設(shè)中應(yīng)用多年，所以仍取0.3kN/m2，在設(shè)計(jì)思路中不予以修改。但對于屋面的結(jié)構(gòu)類型，有檀條與屋面板，本文欲將其的活荷載參數(shù)設(shè)為0.5kN/m2。參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)要求在無人登上的屋面荷載設(shè)計(jì)為0.5kN/m2，不過構(gòu)件的荷載面積需要大于60m2的可乘折減系數(shù)0.6[3]。

3.2 屋脊垂度要控制

對于框架斜梁的豎向撓度限值一般情況限定為1/180，除驗(yàn)算坡面斜梁撓度外，是否要驗(yàn)算跨中下垂度，在以往對這方面的要求比較模糊。目前了解到，在美國，他們對框架進(jìn)行分析時(shí)通常是要考慮這方面內(nèi)容的。在美國做作框架分析時(shí)，通常要將構(gòu)件進(jìn)行分段，通過等截面積的程序來計(jì)算，在計(jì)算過程中每段的運(yùn)算都要考慮并進(jìn)行水平和豎直位移的計(jì)算，不能超過限定值，這就相當(dāng)于需要驗(yàn)算跨中垂度。

3.3 鋼柱換混凝土柱

有一小部分的單位在設(shè)計(jì)時(shí)采用門式剛架，這類鋼架通常使用混凝土材質(zhì)的土柱與輕型鋼斜梁構(gòu)成，輕鋼材質(zhì)的斜梁采取豎放式的端板和混凝土柱中的預(yù)埋螺栓相連，兩者間形成剛性連接，該種連接的目的在于減少鋼材的使用從而降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。在一些廠房的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，雖然確實(shí)存在使用混凝土柱和鋼桁架組成的框架結(jié)構(gòu)，但這時(shí)的梁柱只能夠使用鉸接的連接方式，不能通過剛性連接來實(shí)現(xiàn)連接。在樓層較多的建筑物中，墻與鋼梁之間的連接方式同上。由于混凝土用于建筑中作為一種脆性材料狀態(tài)呈現(xiàn)，雖然建筑構(gòu)件之間可以通過配筋來分擔(dān)剪力或者承受彎矩，但是在連接位置，它們的抗沖切與抗拉性能很弱，當(dāng)受到外界的作用力時(shí)特別容易發(fā)生松動(dòng)或者損壞[4]。還要一些企業(yè)單位設(shè)計(jì)好門式剛架以后，又不顧相關(guān)規(guī)范與要求，一味縱容業(yè)主的要求將鋼柱換為混凝土柱，但梁截面卻不予以配套修正。這里應(yīng)該提示，混凝土柱加鋼梁作成排架是合乎規(guī)范的，但如果要將剛架的鋼柱換成混凝土柱，而鋼梁仍為原來的狀態(tài)，這是不符合安全性規(guī)范與要求的。材質(zhì)或結(jié)構(gòu)若予以更改，那么原來的連接方式也發(fā)生了改變，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部構(gòu)件的受力情況也發(fā)生了改變。建筑結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)與幾何結(jié)構(gòu)學(xué)密切相關(guān)的行業(yè)，若不依據(jù)力學(xué)結(jié)構(gòu)或科學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)或修改，會(huì)導(dǎo)致后期安全存在一定的隱患。所以本文也希望國家能夠進(jìn)一步規(guī)范建筑行業(yè)領(lǐng)域的建筑規(guī)范與法令，對一些安全性要求較高的方面制定相關(guān)條例予以約束。

4 高層建筑抗震設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

我國高層建筑工程施工人員在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)和施工過程中，針對高層建筑的抗震設(shè)計(jì)方式以及相關(guān)施工技術(shù)的重視程度不斷上漲，其中高層建筑的減震技術(shù)主要是通過及相關(guān)的減震裝置來有效降低高層建筑主體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力，有效提高了高層建筑的抗震性能以及穩(wěn)定性、通常情況下在高層建筑的減震技術(shù)當(dāng)中，只是針對高層建筑抗震技術(shù)當(dāng)中的一種分支技術(shù)，通過對高層建筑設(shè)計(jì)工作當(dāng)中的減震技術(shù)有效應(yīng)用，不但可以提高整個(gè)高層建筑的抗震性能，同時(shí)還有效降低了高層建筑，工程設(shè)計(jì)工作當(dāng)中所產(chǎn)生的大量經(jīng)濟(jì)投入，運(yùn)用全新的減震施工技術(shù)，可以針對高層建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到良好的保障，從而提高了整個(gè)高層建筑的安全性[5]。

在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)的思想也得到延伸，所以結(jié)構(gòu)工程師必須對結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理深刻的認(rèn)識，對地震實(shí)驗(yàn)研究成果由一定的理解，這樣才能從概念上作出判斷，并采取措施。另外，建筑的體型和結(jié)構(gòu)總體布置也是在抗震設(shè)計(jì)值得特別重視的，平面形狀上宜簡單、對稱、避免過多的外申、內(nèi)凹、避免細(xì)腰。

在高層建筑工程建設(shè)過程中相關(guān)工作人員必須要充分考慮到施工區(qū)域范圍的地質(zhì)環(huán)境。因此，在進(jìn)行高層建筑工程施工之前，有關(guān)建設(shè)單位必須對施工區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，合理調(diào)整高層建筑的施工結(jié)構(gòu)，以此來最大限度上保證整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐用性，防止高層建筑在遇到小型地震災(zāi)害出現(xiàn)嚴(yán)重的坍塌事故。

5 結(jié)語

隨著我國綜合國力的強(qiáng)盛與城市的快速發(fā)展，人們對于建筑的質(zhì)量，尤其是代表時(shí)代發(fā)展的高層建筑提出了更新且更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。對于建筑行業(yè)的工程師來說，他們必須對自己有更高的要求，從思想上與時(shí)俱進(jìn)、推陳出新，但要在合乎規(guī)范與科學(xué)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新與發(fā)展，在實(shí)踐的過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，用積累的經(jīng)驗(yàn)為后續(xù)的工作與創(chuàng)新鋪墊，不斷提高自身的專業(yè)素養(yǎng)與設(shè)計(jì)建設(shè)水平。我們有充分的理由相信，我們國家的工程師會(huì)在今后的高層建筑的設(shè)計(jì)與建設(shè)中發(fā)揮更大的能量，為推進(jìn)我國高層建筑使用的耐久性、安全性與美觀做出更大的貢獻(xiàn)。