鄒柯

國華工程科技（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 安徽 合肥 230041

引言

由于高層建筑越高，則該建筑的基礎(chǔ)必須要具備承受較大的荷載能力，在高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中就需要考慮更加煩瑣、復(fù)雜的要素[1]。在高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，相關(guān)的設(shè)計人員必須要考慮高層建筑設(shè)計、建設(shè)的復(fù)雜性，不僅要考慮高層建筑的本身受力、荷載問題，還要對其周邊環(huán)境進(jìn)行分析，只有這樣才能保證高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，才能更好地提升高層建筑的整體性能。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的分類及特點簡介

1.1 框架—剪力墻體系

在高層建筑上部結(jié)構(gòu)中框架—剪力墻體系在發(fā)生位移時，其位移曲線通常呈現(xiàn)彎剪型。通過在高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中設(shè)置剪力墻，可以有效地增加上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，并有效地減小建筑物水平位移，顯著降低框架承受的水平剪力，并使得沿豎向的各層剪力逐漸趨向于均勻。

1.2 剪力墻體系

由于高層建筑上部結(jié)構(gòu)的剪力墻體系其根本屬性為剛性結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生位移則其位移曲線呈彎曲型[2]。由于剪力墻體系的強(qiáng)度和剛度相對較高，因此具有一定的延性，且其傳力更加均勻、直接，剪力墻體系的整體性較強(qiáng)，具有較強(qiáng)的抗倒塌性。因此，在高層建筑上部結(jié)構(gòu)中可以根據(jù)設(shè)計、建設(shè)需求合理應(yīng)用這一良好的結(jié)構(gòu)體系。

1.3 筒體體系

在高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于筒體體系本身的剛度和強(qiáng)度較大，筒體體系間各個構(gòu)件的受力相對比較合理，且具有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力與抗震能力。因此，在高層建筑中如果為大空間、超高層或者大跨度建筑，則筒體體系應(yīng)用比較廣泛。

2 高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點

2.1 結(jié)構(gòu)體系的選用

在高層建筑上部結(jié)構(gòu)選用結(jié)構(gòu)體系時，必須要對當(dāng)前的計算手段進(jìn)行簡化，從而能準(zhǔn)確、迅速地解決平面或空間計算簡圖問題；還需要確保傳力途徑的直接和合理，從而可以盡量避免不利抗震的間接傳力途徑[3]。在選用結(jié)構(gòu)體系的時候，還要盡量使其具備足夠的側(cè)向剛度，具備較強(qiáng)的水平承載能力，從而能夠更好地承受建筑變形。

2.2 結(jié)構(gòu)規(guī)則性的判斷

要求高層建筑的建筑平面的布置應(yīng)當(dāng)遵循簡單、規(guī)則、對稱、減少偏心的基本原則，如果高層建筑存在局部凹進(jìn)或突出，則其尺寸必須要滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的第3.4.3條要求。在高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中要盡可能地避免立面局部縮進(jìn)不規(guī)則類型設(shè)計，如果高層建筑的上部結(jié)構(gòu)立面尺寸收縮或外挑，則必須要符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的第3.5.5 條要求；要盡可能地避免高層建筑上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件抗扭剛度太弱，減少高層建筑中墻、柱布置不對稱或質(zhì)量分布不對稱地扭轉(zhuǎn)不規(guī)則類型；要盡可能地避免高層建筑上部結(jié)構(gòu)中由于樓層剛度變化的側(cè)向剛度不規(guī)則類型，要使得樓層側(cè)向剛度發(fā)生變化的時候盡可能地滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中第3.5.2條要求；要盡可能地避免樓板局部存在不連續(xù)不規(guī)則類型；一旦高層建筑的樓層承載力發(fā)生變化，則必須要滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的第3.5.3條要求。

2.3 結(jié)構(gòu)軟件及設(shè)計參數(shù)的采用

為提升高層建筑上部結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性，滿足用戶的使用需求，在高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中就需要根據(jù)建筑物抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)體系、高度、場地類別，從而確定該高層建筑的抗震等級[4]。需要根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的第4.3條考慮地震作用；還需要根據(jù)高層建筑的上部結(jié)構(gòu)實際情況來確定該上部結(jié)構(gòu)的分析模型，并選取合理的結(jié)構(gòu)軟件。體型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜以及B級高度高層建筑結(jié)構(gòu)，必須要應(yīng)用不少于兩個不同的力學(xué)模型結(jié)構(gòu)分析軟件來進(jìn)行整體計算。由于結(jié)構(gòu)基本周期通常是高層建筑上部結(jié)構(gòu)中計算風(fēng)荷載的重要指標(biāo)，在計算過程中必須要保留軟件的缺省值，并從計算結(jié)果中讀取出缺省計算值。在軟件中填入“結(jié)構(gòu)基本周期”選項后，則需要重新計算缺省值。在確定，結(jié)構(gòu)計算振型數(shù)后，則需要通過觀察計算結(jié)果中的有效質(zhì)量系數(shù)（規(guī)范稱為參與質(zhì)量）是否超過0.9來判斷振型數(shù)是否足夠。需要注意的是，振型數(shù)要盡可能不高于結(jié)構(gòu)總自由度數(shù)，不超過高層建筑上部結(jié)構(gòu)層數(shù)的3倍。如果結(jié)構(gòu)軟件計算出的最大地震作用方向絕對值＞15°，則必須要將數(shù)值回填到軟件的“水平力與整體坐標(biāo)夾角”選項，然后重新計算最大地震作用方向絕對值，從而獲得最不利地震作用方向的效應(yīng)值。

2.4 電算結(jié)果的合理性判斷

高層建筑上部結(jié)構(gòu)的剛度比與層間受剪承載力之比，作為高層建筑上部結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)，必須要充分滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的第3.5.2條與3.5.3條要求。在高層建筑上部結(jié)構(gòu)中，通過剪重比調(diào)整，能夠解決振型分解反應(yīng)譜法對長周期結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)計算取值偏低的問題，從而精準(zhǔn)計算，并根據(jù)高層建筑的安全性需求，來確定高層建筑的樓層水平地震力的最小值；由于剛重比是控制高層建筑上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素，具體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與重力荷載之比，如果該高層建筑上部結(jié)構(gòu)的剛重比值不能滿足要求，則很有可能會引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌。

3 高層建筑的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中出現(xiàn)的問題以及優(yōu)化思路

第一，要求框架構(gòu)造、剪力墻布置必須要均勻，盡可能地避免出現(xiàn)大單肢剛度剪力墻設(shè)計，從而避免應(yīng)力過于集中的問題，不會對整個高層建筑上部結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響。

第二，由于框剪構(gòu)造連梁設(shè)計在高層建筑上部構(gòu)造設(shè)計中極其關(guān)鍵，需要盡量將框剪構(gòu)造連梁設(shè)計做到最佳。但是，根據(jù)當(dāng)前高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計、建造具體情況來看，在實際的高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有部分設(shè)計人員不重視框剪構(gòu)造連梁設(shè)計。需要相關(guān)的設(shè)計人員明確框剪構(gòu)造連梁設(shè)計的具體概念，了解到框剪構(gòu)造連梁設(shè)計其實就是要使兩片剪力墻之間連接，一旦該高層建筑遭遇中震、地震，則該框剪構(gòu)造連梁涉及的剪力墻會先裂開，達(dá)到耗能的目的，從而使得整個高層建筑的延性在一定程度上保持不變。根據(jù)高層建筑上部結(jié)構(gòu)框剪構(gòu)造連梁設(shè)計的特點，就必須要做好以下幾點：首先，不能盲目增大抗彎能力，否則會導(dǎo)致框剪構(gòu)造連梁延遲被破壞，則無法實現(xiàn)其及時耗能的作用，進(jìn)入導(dǎo)致高層建筑上部結(jié)構(gòu)的其他關(guān)鍵構(gòu)件破壞，讓結(jié)構(gòu)丟失延性。其次，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，不得在連梁上搭設(shè)框架梁。一旦高層建筑上部結(jié)構(gòu)遭遇大震或者中震，則該結(jié)構(gòu)會率先開裂，框剪構(gòu)造連梁的抗剪水平短時間內(nèi)急劇下降，如果該框剪構(gòu)造連梁設(shè)計仍舊承擔(dān)較大的豎向荷載，則會產(chǎn)生連鎖破壞的效果。

在高層建筑的強(qiáng)節(jié)點、強(qiáng)剪弱彎以及強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計要嚴(yán)格遵循鋼筋混凝土構(gòu)造延性設(shè)計基本原則。在高層建筑的上部結(jié)構(gòu)采取現(xiàn)澆板技術(shù)澆筑的時候，設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)計算分析過程中必須充分考慮現(xiàn)澆板的作用，從而使梁的剛度增加。如果在梁設(shè)計配筋過程中不能充分考慮鋼筋作用，人為增加梁配筋，則會出現(xiàn)破壞“強(qiáng)柱弱梁”形態(tài)的問題?；诖耍鸵笤诟邔咏ㄖ膹?qiáng)節(jié)點、強(qiáng)剪弱彎以及強(qiáng)柱弱梁設(shè)計不可盲目增加框架梁上部鋼筋，要適當(dāng)增加柱子配筋。

第四，在于懸挑挑尖端部位置，則要求必須要設(shè)立構(gòu)造柱，確保高層建筑的每層挑梁之間互相聯(lián)系，根據(jù)高層建筑的斜拉構(gòu)件具體要求，還需要對構(gòu)造柱進(jìn)行設(shè)計[5]。通過加強(qiáng)構(gòu)造柱設(shè)計，可以將構(gòu)造柱作為依靠，做好挑梁的變形協(xié)調(diào)工作，即使高層建筑的局部出現(xiàn)超載問題，也可以將力轉(zhuǎn)移到其余層上，共同承擔(dān)該局部超載，在一定程度上可以起到提升高層建筑結(jié)構(gòu)安全性的作用。通過在懸挑尖端部位設(shè)立構(gòu)造柱，能夠加強(qiáng)對于外圍護(hù)墻的制約效果，從而有效地避免墻體外閃現(xiàn)象。

4 實例分析

4.1 工程概況

本次工程位于安徽省蚌埠市，該高層建筑由地下一層，地上兩棟獨立的塔樓構(gòu)成。該高層建筑的樓為87.15m，共計28層，其抗震設(shè)防烈度標(biāo)準(zhǔn)為7度抗震設(shè)防烈度標(biāo)準(zhǔn)，基本地震加速度值設(shè)計為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，其具體的設(shè)計特征周期值為0.35s，水平地震影響系數(shù)的最大值為0.08，其場地類別為Ⅱ類場地。其抗震設(shè)防類別為A級高度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。整個高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限是50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級確認(rèn)為二級，根據(jù)建筑的地面粗糙度評定標(biāo)準(zhǔn)，建筑的地面粗糙度為B類，承載力設(shè)計時，基本風(fēng)壓按50年一遇的1.1倍取值。因為該高層建筑的地上建筑結(jié)構(gòu)是各塔樓獨立分開，因此二者之間可以根據(jù)自身的地下室進(jìn)行嵌固端計算，二者之間互相不會產(chǎn)生影響。在本次實際案例分析中將1#樓作為實例分析。

4.2 上部結(jié)構(gòu)體系選擇

由于本次實例分析的高層建筑高度為80m＜高層建筑高度＜150m，其中地下室設(shè)計作為車庫使用，一層、二層設(shè)計作為商場，三層、四層設(shè)計為辦公室，四層以上樓層皆設(shè)計為住宅。在對整個建筑上部結(jié)構(gòu)、建筑功能進(jìn)行綜合考量后，上部結(jié)構(gòu)體系選擇使用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，在布置剪力墻的時候要遵循對稱、均勻、分散的基本原則，在滿足建筑施工安全的基礎(chǔ)上要盡可能地考慮其經(jīng)濟(jì)性。

4.3 規(guī)則性分析

對該高層建筑進(jìn)行規(guī)則性分析，其主體平面為凸形，其中突出的部分為1/Bmax=3.70/14.8=0.25＜0.35，整個高層建筑為規(guī)則性分析結(jié)果為高層建筑屬平面規(guī)則類型。使用計算模型與公式進(jìn)行計算，該高層建筑的結(jié)構(gòu)在樓層第3層位移比達(dá)到1.31，位移比＜1.5。通過與高層建筑的建設(shè)范圍、建筑專業(yè)之間的互相協(xié)商，雖然該高層建筑的平面呈現(xiàn)不規(guī)則特點，但是該高層建筑符合規(guī)范強(qiáng)制性條文的具體要求。

4.4 結(jié)構(gòu)計算軟件

相關(guān)的工作人員嚴(yán)格遵守相關(guān)的規(guī)范要求來對高層建筑的結(jié)構(gòu)各構(gòu)件進(jìn)行最小地震剪力內(nèi)力調(diào)整，強(qiáng)柱弱梁與強(qiáng)剪弱彎等調(diào)整之后做承載力計算，并確定最不利工況下的計算結(jié)果，并在計算結(jié)果內(nèi)反映高層建筑施工是否存在超筋問題。如果結(jié)構(gòu)計算軟件計算結(jié)果為不超筋，則需要相關(guān)的設(shè)計人員綜合考慮是否要做好構(gòu)件截面變化對結(jié)構(gòu)的剛度、周期、位移、地震剪力等一系列參數(shù)的影響的構(gòu)件的優(yōu)化工作。

4.5 計算整體參數(shù)

在計算整體參數(shù)的過程中，需要全面考慮偶然偏心下的單向地震作用、雙向地震作用等要素，確保高層建筑安全與使用壽命。由于該高層建筑的高度為80m＜高層建筑高度＜150m，在計算整體參數(shù)時，無須分析彈性動力時程。需要對活荷載不利布置影響因素進(jìn)行考量，將其周期折減系數(shù)確定為0.8，要求結(jié)構(gòu)的阻尼比盡量為5%。為確保計算整體參數(shù)準(zhǔn)確，可以使用39個振型數(shù)計算。

5 結(jié)束語

綜上所述，在當(dāng)前的高層建筑建設(shè)、使用過程中，高層建筑的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。但是高層建筑使用過程中，會出現(xiàn)不均勻裂縫、沉降等多種問題，不僅會大大削弱高層建筑的實用性，還會使得高層建筑潛藏一定的安全風(fēng)險，威脅人們的生命財產(chǎn)安全?；诖耍鸵蟾邔咏ㄖO(shè)計人員能夠?qū)Ω邔咏ㄖ喜拷Y(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行持續(xù)的研究、優(yōu)化與完善，盡可能地改善高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題，并通過應(yīng)用科學(xué)的建筑設(shè)計方案、施工技術(shù)以及實施設(shè)備來提升高層建筑的整體性能，從而推動我國建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。