高層建筑結構設計的實踐探討

劉穎霞

許昌市東城區財政投資評審中心，河南許昌 461000

高層建筑結構設計的實踐探討

劉穎霞

許昌市東城區財政投資評審中心，河南許昌 461000

隨著經濟的快速發展和城市化進程的加快，高層建筑大量涌現并從單一用途向多用途、多功能發展，從而給高層建筑結構設計帶來新的課題。本文在分析高層建筑結構形式特點的基礎上對高層建筑結構設計中存在的幾個問題及解決方法進行了探討，并總結了應注意的事項。

高層建筑；結構設計；實踐探討

隨著經濟的發展，我國高層建筑特別是超高層建筑的發展非常迅速，其規模、形式日益豐富。高層建筑形式的這一變化使得結構形式也發生了很大的變化，傳統的設計方法遇到了挑戰和瓶頸，為了確保高層建筑結構設計的安全和合理，開展高層建筑結構設計的實踐探討非常必要。

1 高層建筑結構設計特點

1.1 水平荷載成為決定因素

樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩，與樓房高度的1次方成正比。而水平荷載對結構產生的傾覆力矩以及由此在豎構件中引起的軸力，與樓房高度的2次方成正比。對于一定高度的樓房來講，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，則隨著結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

1.2 軸向變形不容忽視

高層建筑的豎向荷載很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，會對連續梁彎矩產生影響，導致連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大，還會對預制構件的下料長度產生影響。針對以上問題要求根據軸向變形計算值對下料長度進行調整。

1.3 側移成為控制指標

與較低的樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下的結構側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

1.4 結構延性是重要的設計指標

相對于較低的樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，尤其需要在構造上采取恰當的措施，以保證結構具有足夠的延性。

2 高層建筑結構設計面臨的問題及對策

2.1 荷載取值不適當

當房屋建筑地基大部分受力面積沒有軟粘性土層時，柱下獨立基礎多用于鋼筋混凝土多層框架房屋的建設，因為只要房屋高度不超過25m，即一般不高于8層的情況下，就不必驗算地基抗震承載力了。但是風荷載的影響在房屋基礎設計時還是必須考慮的，所以在整體計算分析鋼筋混凝土多層框架房屋時，需要輸入風荷載。許多人就覺得在地震區以外，風荷載一般在房屋建筑時不起作用就可不考慮甚至是忽略不計，這是及其錯誤的。另外還有一點，頂面上的外荷載，即柱腳內力設計值不能只取軸力設計值和彎矩設計值，無剪力設計值，或者只取軸力設計值甚至任意一項的值。這種情況會導致基礎設計尺寸偏小、配筋偏少，從而影響基礎和上部結構的安全或者造成事故。

2.2 框架計算簡圖輸入錯誤

設置拉梁層時，最好比較一下底層柱的配筋是由什么控制的，是基礎頂面處的截面控制還是基礎拉梁頂面處的截面控制。因為無地下室的鋼筋混凝土多層框架房屋，一般情況下，獨立基礎埋置較深，這樣對地基土就有約束作用，對于這種情況的基礎簡圖，可寫地下室層數為1，再輸入電算程序總信息中，最好再復算，以防那個出錯，兩次計算出來的結果形成包絡圖，就按照包絡圖對框架結構底層柱進行配筋。

2.3 基礎拉梁層的計算模型不準確

基礎拉梁層的計算模型不符合實際情況的直接后果就是房屋平面不規則。究其原因是用TAT或SATWE等電算程序進行框架整體計算時，樓板厚度應取零（基礎拉梁層無樓板），同時定義彈性節點，最關鍵的一點是要用總剛分析方法進行分析計算。如果前兩者都做好了，就沒有用總剛分析，那么程序分析時自動按剛性樓面假定進行計算，這就與實際情況不相符，從而產生錯誤，導致房屋平面不規則。

2.4 基礎拉梁的設計不合理

減小小底層柱的計算長度和位移適宜用在多層框架房屋基礎埋深值較大時，也可在適當的位置基礎拉梁，應當按框架梁進行設計并按規定的規范設置箍筋加密區而不宜按結構要求設置。從抗震的角度考慮，應采用短柱基礎。

2.5 框架結構盡量避免設置帶樓電梯小井筒

井筒會吸收較大的地震剪力，這就減少了框架結構承擔的地震剪力。但是井筒墻壁減薄，開豎縫、開洞等種種辦法使剛度弱化了也可以設計鋼筋混凝土井筒。要弱化井筒的影響，在配筋時適合配置單排的少量的鋼筋。應特別注意的是在設計計算時不能忽視按帶井筒的框架復核，同時加強與墻體相連的柱子的配筋。對于框架結構出屋頂的樓電梯間和水箱間這樣的結構，不應采用砌體墻承重，適合采用框架承重。

2.6 結構計算中重要參數的合理確定

結構計算的所有結果，包括：樓層地震剪力系數，墻和柱的軸壓比及墻、柱、梁和板的配筋，樓層的側向剛度比，樓層彈性層間位移和彈塑性變形驗算時樓層的彈塑性層間位移，框架—抗震墻結構抗震墻承受的地震傾覆力矩與總地震傾覆力矩的比值，樓層彈性層間位移和彈塑性變形驗算時樓層的彈塑性層間位移，結構的自振周期，振型參與質量系數等等。在結構設計計算時，要制定合理的結構方案，填寫正確的抗震防裂度，合理選取各項參數，這十分重要。總之，結構要認真的判斷分析其是否合理、可行，確認無誤才可用于設計。

3 高層結構設計應注意的事項

1）周期折減系數在高層結構的周期分析中，很容易忽略掉非結構的砌體填充墻所帶來的影響。顯然，周期的折減應考慮到非結構性構件的影響作用，而且不同的結構類型和填充墻的形式也決定了周期折減系數的取值。

2）選擇足夠的振型數目通常對于規則高層建筑而已，選擇其前三階振型計算即可滿足計算要求，在分析的過程中，應依據規范要求對計算結果進行合理判斷。但對于一些不規則的高層結構而已，或者對于一些有特殊構件的結構而已，局部的振動也必然存在，此時因根據具體的振動特性來選擇振型數目的取值。

3）明確多塔之間的藕聯計算在高層建筑結構形式中，主塔建筑和裙塔建筑構成的藕聯體系是一種常見的結構形式，按結構的受力特點，將結構作為一個整體并按多塔類型進行計算，還是將結構人為地分開進行計算是滿足力學基本要求的規定，但是很多工程師為了計算的方便通常都是分開單獨計算，這樣處理顯然是存在問題的。當多塔間剛度相差較大的時候，兩者之間就存在“耦合效應”，此時若忽視掉就必然使得塔樓的計算誤差仍然有較大，從而導致結構出現不安全的隱患。

4 結論

總之，隨著高層建筑規模和型式的不斷發展，追求結構形式日益新穎，對于日益復雜的建筑，必須結合實際情況，每個環節都應該進行認真的分析和計算，加強優化設計的實施。只有這樣對其經濟指標、安全性、可靠性作充分的考慮和分析才會設計出科學合理的機構體系。

[1]方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]胡文湛.淺談高層建筑結構分析與設計[J].江西建材，2006（1）.

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1674-6708（2010）22-0044-02