張 軍

（山西國建工程設(shè)計有限公司大同分公司 山西 大同 037000）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對于生活品質(zhì)的要求越來越高，同時，對于建筑工程的需求也逐漸增多，與此同時，城市土地資源緊缺，而通過規(guī)劃建設(shè)高層建筑，即可有效解決這一問題，因此，在各大城市規(guī)劃建設(shè)中，很多新建工程項目均為高層建筑。與普通建筑工程相比，高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度比較高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方面均面臨很多難點(diǎn)，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要求保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及剛度，因此，需綜合考慮各類影響因素，保證高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的完善性。

1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)類型

在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須重點(diǎn)考慮水平荷載承受力。必須保證結(jié)構(gòu)具備良好的抗震性以及抗風(fēng)性。高層建筑結(jié)構(gòu)類型比較多，各類結(jié)構(gòu)對于水平荷載以及豎向荷載的抵抗能力均有一定的區(qū)別，因此，應(yīng)綜合考慮高層建筑總高度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征等選擇適宜的混凝土結(jié)構(gòu)類型。

1.1 框架結(jié)構(gòu)

在高層建筑設(shè)計中應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)，可顯著提升平面布置的靈活性，即可根據(jù)高層建筑建設(shè)需求對內(nèi)部空間進(jìn)行靈活分割。在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可將其設(shè)計為延性框架，由于結(jié)構(gòu)類型比較少，因此設(shè)計計算工作量小。由于框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小，因此，主要被應(yīng)用于高度在60m以下的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度比較大，是由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所組成的，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)，可有效承擔(dān)建筑水平荷載以及豎向荷載。通常情況下，剪力墻結(jié)構(gòu)開間為3m～8m之間，一般被應(yīng)用于高層住宅工程建設(shè)中。在剪力墻結(jié)構(gòu)施工中，可避免墻角部位露出棱角，同時改善結(jié)構(gòu)美觀性。剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度和承載能力均比較強(qiáng)，并且彈塑性變形能力強(qiáng)，一般被應(yīng)用于高度低于140m的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中[1]。

1.3 框架—剪力墻結(jié)構(gòu)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)可將框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢進(jìn)行有效結(jié)合，使二者共同承擔(dān)建筑結(jié)構(gòu)水平荷載以及豎向荷載?？蚣堋袅Y(jié)構(gòu)的布置方式靈活便捷，并且延性比較強(qiáng)，與框架結(jié)構(gòu)相比，側(cè)向剛度更大，可顯著改善結(jié)構(gòu)承載能力，一般被應(yīng)用于高度低于130m的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

1.4 筒體結(jié)構(gòu)

對于筒體結(jié)構(gòu)，可劃分為三種類型：①框筒結(jié)構(gòu)，通過布置小柱距、高截面梁密柱深梁，即可構(gòu)成整體框架結(jié)構(gòu)，通常情況下，框筒結(jié)構(gòu)為四榀框架，不僅抗側(cè)力和承載力強(qiáng)，并且抗扭剛度比較大，可充分發(fā)揮各類施工材料的性能；②筒中筒結(jié)構(gòu)，在筒中筒結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用中，需將框筒作為外筒，對于高層建筑電梯間、管道豎井等，均需規(guī)劃設(shè)置在高層建筑工程中心，據(jù)此形成內(nèi)筒。筒中筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)外筒可發(fā)揮協(xié)同作用，其中，外筒可有效抵抗水平作用力，而內(nèi)筒則能夠抵抗水平剪力，一般被應(yīng)用于高度低于180m的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中；③框架—核心筒結(jié)構(gòu)，是由外圍框架結(jié)構(gòu)以及中心筒體所組成的，外筒和內(nèi)筒之間的距離在10m～12m之間，布置形式靈活便捷，一般被應(yīng)用于高度低于150m的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中[2]。

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

2.1 概念設(shè)計

在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，概念設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵，在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中，要求設(shè)計人員詳細(xì)了解各類設(shè)計規(guī)范以及規(guī)程中與概念設(shè)計相關(guān)的規(guī)定條例，避免盲目計算而違反相關(guān)規(guī)范。概念設(shè)計要點(diǎn)如下：①在結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方面，需保證結(jié)構(gòu)選型以及內(nèi)部布置的規(guī)則性，選用經(jīng)濟(jì)效益高、抗風(fēng)性能及抗震性能好的結(jié)構(gòu)體系。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，需確定具體的計算簡圖，保證地震力傳遞的合理性，同時還要求保證在兩個軸方向，結(jié)構(gòu)的動力特性大致相同；②水平地震作用具有雙向性特征，在結(jié)構(gòu)布置方面，應(yīng)當(dāng)盡量使結(jié)構(gòu)可抵抗來自于各個方向的地震作用力，保證結(jié)構(gòu)沿平面兩個主軸方向均具有較強(qiáng)的剛度以及抗震性能。在結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計方面，要求綜合考慮建筑工程建設(shè)場地特征，合理確定結(jié)構(gòu)剛度，盡量減小地震作用效應(yīng)，同時還需注意對結(jié)構(gòu)變形問題予以有效控制，如果結(jié)構(gòu)變形量比較大，則會造成P-Δ效應(yīng)過大，對結(jié)構(gòu)整體性造成不良影響；在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還需注意提升水平向剛度、抗扭剛度以及抗震性；③在獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)注意在凹角以及縮頸部位發(fā)生應(yīng)力集中問題；對于樓梯間、電梯間，應(yīng)當(dāng)盡量避免設(shè)置在凹角以及端部；盡量減小地震作用下所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在豎向體型結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)盡量避免外挑以及內(nèi)收過多，在結(jié)構(gòu)剛度、承載力設(shè)計方面，均需沿建筑高度方向避免造成結(jié)構(gòu)軟弱。另外，還需注意，避免結(jié)構(gòu)破壞而造成整體結(jié)構(gòu)喪失抗震性能。在高層建筑工程結(jié)構(gòu)單元連接設(shè)計方面，應(yīng)當(dāng)保證連接牢固性，一般可應(yīng)用加強(qiáng)連接方式[3]。

2.2 地基與基礎(chǔ)設(shè)計

①如果建筑工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)柱下擴(kuò)展基礎(chǔ)寬度比較大，在4m以上，或者地基為軟弱地層，則應(yīng)當(dāng)采用柱下條基，同時還需注意適當(dāng)增加基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)寬度；②如果建筑工程項目建設(shè)場地地質(zhì)條件好，基礎(chǔ)埋深在3m以上，則可設(shè)計地下室，如果地基結(jié)構(gòu)承載力已能夠滿足設(shè)計要求，則無需將地下室底板外伸，以改善結(jié)構(gòu)防水性，另外，每間隔30m～40m均需設(shè)置后澆帶，并應(yīng)用微膨脹混凝土澆筑施工方式，以改善基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載能力，盡量減小地震作用對上部結(jié)構(gòu)造成不良影響；③對于新建建筑工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)深度，應(yīng)當(dāng)控制在周圍已建項目基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)深度以下，如果與原有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相比深度更大，則應(yīng)當(dāng)將二者之間的凈距控制在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)高差的2倍以上，如果沒有采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，則需聯(lián)合應(yīng)用抗滑移樁，改善基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.3 結(jié)構(gòu)選型

（1）結(jié)構(gòu)體系問題。如果高層建筑結(jié)構(gòu)的地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較高，則在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)在滿足變形限制規(guī)定的基礎(chǔ)上盡量減小剛度。通過對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及上部結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保符合相關(guān)規(guī)范中關(guān)于高寬比的限制規(guī)定。將塔樓較長肢的剪力墻用輕質(zhì)墻隔為短肢墻，保證轉(zhuǎn)換層上下剛度的均勻性。通過對相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析，對于轉(zhuǎn)換層上下剛度比計算公式，應(yīng)當(dāng)調(diào)整為控制上下層轉(zhuǎn)角比值為1左右。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，如果頂點(diǎn)位移以及層間位移的限值不合理，則應(yīng)當(dāng)采用適宜措施進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，改善水平加強(qiáng)層的側(cè)向剛度，此時外柱剪力會有所增加，因此，需密切關(guān)注結(jié)構(gòu)設(shè)計中的各項細(xì)節(jié)。

（2）控制柱的軸壓比與短柱問題。通過有效控制柱軸壓比，即可使柱處于大偏壓狀態(tài)，如果柱的塑性變形能力比較小，則結(jié)構(gòu)延性較差；如果發(fā)生地震災(zāi)害，則所吸收的地震能量比較少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。但是，在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如果采用強(qiáng)柱弱梁設(shè)計方式，梁的延性比較好，則柱不易進(jìn)入屈服狀態(tài)，因此，可適當(dāng)放松軸壓比限值。另外，在很多高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，底層柱的長細(xì)比在4以內(nèi)，并非為短柱，為判斷是否為短柱，需重點(diǎn)檢查剪跨比，如果剪跨比在2以下，則為短柱。通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加軸壓比，另外，推廣應(yīng)用鋼筋混凝土，提升建筑抗震性[4]。

2.4 結(jié)構(gòu)計算與分析

（1）確定抗震等級。在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）確定建筑抗震等級，如果高層建筑是由主樓和裙樓所組成的，則對于裙樓抗震等級，不應(yīng)低于主樓抗震等級。部分高層建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度比較高，如果將地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，則對于地下一層結(jié)構(gòu)抗震等級，應(yīng)當(dāng)保證與上部結(jié)構(gòu)相同，而對于地下一層抗震等級，應(yīng)當(dāng)采用三級或者較低等級。

（2）振型數(shù)目。振型數(shù)與結(jié)構(gòu)層數(shù)密切相關(guān)，在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）中，已對陣型取值做出明確規(guī)定，在計算分析過程中，以規(guī)范要求作為依據(jù)，對振型數(shù)目取值進(jìn)行調(diào)整。

（3）非結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計計算。在高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了改善建筑結(jié)構(gòu)美觀性，可能會設(shè)置部分非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而高層建筑結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)荷載比較大，因此應(yīng)當(dāng)對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行妥善處理[5]。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)例

本文選擇某高層商業(yè)辦公樓作為研究對象，對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)探究。該商業(yè)辦公樓是由A、B、C三棟高層塔樓以及一棟2層裙樓所組成的，其中，一層和二層均為商業(yè)用房，如圖1所示。而三層以上均為辦公用房。A、B塔樓均為18層高層建筑，二者之間頂部兩層相互連接，總建設(shè)高度為64.4m，而C塔樓為19層高層建筑，總高度為58.6m。在A塔樓和B塔樓整體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用框架-剪力墻連體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

圖1 A、B棟一層商場平面/mm

3.1 基礎(chǔ)及地下室設(shè)計

在該高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，在樁體結(jié)構(gòu)施工中，采用鉆孔灌注樁施工技術(shù)，通過對建筑上部荷載進(jìn)行分析，樁徑設(shè)定為兩種，包括Φ700以及Φ800。另外，在主樓基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用Φ800樁，而對于其余部分，則采用Φ700樁。樁基持力層為圓礫層，樁進(jìn)入持力層的深度在2.5m～6.4m之間，有效樁長度在48.1m～56m之間。為確定單樁豎向承載力特征值，應(yīng)當(dāng)對試樁結(jié)果進(jìn)行收集整理，同時參考項目建設(shè)場地地質(zhì)勘查報告設(shè)定，即3500kN以及4100kN。

3.2 結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)布置

該高層建筑工程平面為狹長形，在連體結(jié)構(gòu)兩側(cè)塔樓混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)盡量保證二者的體形、平面以及剛度保持一致，盡量減小耦聯(lián)振動。在該高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于兩塔樓之間的平面，設(shè)計為喇叭形，柱距北面最小為16.8m，而南面最大為29.4m。在連接體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于最下層鋼骨混凝土梁，可作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，即可有效支撐連接體整體結(jié)構(gòu)。通過應(yīng)用上述設(shè)計方案，鋼骨混凝土梁的斷面最大部位面積為900mm×3000mm，施工難度比較大，在對結(jié)構(gòu)安全性以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面分析后，在兩個軸之間可增加兩個柱，保證連接體柱距相同，為16.8m。在連接體結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)之間，可采用剛性連接方式，對于該高層建筑每一層，均需設(shè)置500mm×1800mm混凝土梁，即可將主體結(jié)構(gòu)連接為整體，同時保證受力協(xié)調(diào)。主梁高度比較大，連接體每一層的層高均為主塔樓兩層的高度[6]。

連體結(jié)構(gòu)的振型比較豐富，平動、扭轉(zhuǎn)振型一般相互耦合，在對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行計算時，可采用平扭耦聯(lián)方式，同時還需綜合考慮雙向地震的影響。連體部位的復(fù)雜程度比較高，在連體部分設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)注意兩塔樓體型大致相同，并且間距比較小，在風(fēng)荷載取值時，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮建筑工程之間的相互影響，體型系數(shù)與相互干擾增大系數(shù)相乘，在連接體最下一層樓板結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還需重點(diǎn)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時結(jié)構(gòu)周期及振型，如表1所示。通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果進(jìn)行分析，可將自振周期控制在一定范圍內(nèi)，符合規(guī)范要求。

表1 考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時結(jié)構(gòu)周期及振型

3.3 抗震加強(qiáng)措施

（1）轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。該高層建筑工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度比較高，并且轉(zhuǎn)換成為薄弱層，因此，對于框支柱、框支梁、剪力墻底部的加強(qiáng)部位，應(yīng)當(dāng)提升抗震等級，同時還需增加框支梁所在樓層樓板厚度，并采用雙層雙向加強(qiáng)配筋構(gòu)造設(shè)計形式。

（2）連接體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。該高層建筑工程為I類扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，則會對連接體結(jié)構(gòu)造成不良影響，發(fā)生塌落事故，對此，在連接體及連接體相鄰結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)提升抗震等級，適當(dāng)增加樓板結(jié)構(gòu)厚度，另外，對于連接部分，需采用雙層雙向貫通布置方式。

4 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合實(shí)例，對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方式進(jìn)行了詳細(xì)探究。高層建筑工程結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜程度比較高，在高層建筑設(shè)計中，必須保證結(jié)構(gòu)布置的科學(xué)性以及合理性，在連體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)保證連體結(jié)構(gòu)各個部分的體型、平面以及剛度保持大致相同，即可避免連體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度比較高而誘發(fā)耦聯(lián)振動問題，改善高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。