高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需關(guān)注的幾個問題

隨著我國城市建設(shè)用地日趨緊張，城市居民住宅向中高層方向發(fā)展，與之相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式也取得了許多新的成果。在高層住宅的開發(fā)建設(shè)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是相當(dāng)重要的一個環(huán)節(jié)，它與規(guī)劃、建筑、設(shè)備和施工等專業(yè)緊密相聯(lián)。同時時代的發(fā)展，建筑風(fēng)格的變化多樣，又給高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的課題和新的挑戰(zhàn)，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也越來越成為結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的重點和難點。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式繁多，框架、剪力墻、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系是高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)中較為傳統(tǒng)的、廣為應(yīng)用的結(jié)構(gòu)體系。隨著層數(shù)和建筑高度增加，利用結(jié)構(gòu)空間作用，又發(fā)展了框架-筒體結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、多筒結(jié)構(gòu)和巨型結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)體系。

2.高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

水平荷載起控制作用，側(cè)面位移必須加以限制，軸向變形在側(cè)移中占有很大的份額，所以在結(jié)構(gòu)體系選型時應(yīng)充分考慮這幾個特點。對于低層、多層或高層建筑，其豎向和水平結(jié)構(gòu)體系設(shè)計的基本原理是相同的。但隨著高度的增加，由于以下兩個原因，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計的控制因素：一個是較大的豎向和要求有較大的柱、墻和井筒；另一個更重要的原因是，側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員必須以精心設(shè)計來保證。

3.高層住宅建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計原則

3.1 功能適應(yīng)性原則

不同功能的建筑，往往具有不同的功能空間特征；不同的結(jié)構(gòu)體系型式，并能夠提供不同的空間布置；不同的內(nèi)部空間特征又要求不同的結(jié)構(gòu)與其相適應(yīng)。

3.2 高度合理性原則

不同的結(jié)構(gòu)體系往往具有不同的力學(xué)特征和整體性能，也有其整體綜合性能得到較好發(fā)揮的高度適應(yīng)范圍。

3.3 場地適應(yīng)性原則

主要是做好建筑地的防震措施。

3.4 空間整體性原則

建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一個由多個子結(jié)構(gòu)及其若干組成構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)體系。一個結(jié)構(gòu)的抗震能力不僅取決于各子結(jié)構(gòu)及相應(yīng)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、延件及其受力狀態(tài)，而更主要地取決于保證這些子結(jié)構(gòu)、構(gòu)件能協(xié)同工作的能力或空間整體性。

3.5 施工方便性原則

不同的結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定著結(jié)構(gòu)的施工工藝、施工難度、施工工期及可能的施工質(zhì)量。

3.6 經(jīng)濟(jì)有效性原則

建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性就是只以較少的成本來獲得最大的效用。還體現(xiàn)在建筑空間組織、利用的高效化方面。堅持對平面面積的充分利用，還注重三維空間的挖掘。

4 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計

4.1 框架結(jié)構(gòu)

4.1.1 基礎(chǔ)系梁的設(shè)置問題。如果基礎(chǔ)埋置深度較深時，可以用基礎(chǔ)系梁減少底層柱的計算長度，在±0.00以下設(shè)置系梁，此時系梁宜按一層框架梁進(jìn)行設(shè)計，同時系梁以下的柱應(yīng)按短柱處理。如不設(shè)置基礎(chǔ)系梁，填充墻可以采用素混凝土條形基礎(chǔ)；如設(shè)置基礎(chǔ)拉梁，宜在框架柱之間設(shè)置，對于不在框架柱之間的墻體基礎(chǔ)可采用素混凝土基礎(chǔ)。

4.1.2 框架結(jié)構(gòu)薄弱層的判定與處理。薄弱層是對抗震極為不利的結(jié)構(gòu)層，原則上應(yīng)避免出現(xiàn)薄弱層。避免出現(xiàn)薄弱層的最基本方法是加大該層的抗側(cè)移剛度，即加大該層的柱截面或梁截面；如果條件允許，可以改變該層層高或減少基礎(chǔ)埋置深度。當(dāng)無法避免出現(xiàn)薄弱層時，在結(jié)構(gòu)計算和出圖時必須按照規(guī)范規(guī)定采取相應(yīng)的措施。

4.1.3 短柱問題。在框架結(jié)構(gòu)中，如果柱凈高與柱截面高度之比≤4或剪跨比≤2，那么該柱為短柱。短柱在地震作用下，容易發(fā)生脆性破壞。處理短柱主要是增加柱的抗剪承載力及改善其變形能力，一般采用復(fù)合箍筋，箍筋沿全高加密；保證短柱的縱向鋼筋對稱布置，且每側(cè)的縱向鋼筋配筋率不宜大于1.2%的方式處理，也可以采用外包鋼板、配X形鋼筋等方式處理。

4.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻是一種有效的抗側(cè)力構(gòu)件，剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系、筒體結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻都是作為主要的承重結(jié)構(gòu)單元，因此，剪力墻的截面設(shè)計是高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要部分。在地震區(qū)剪力墻除保證有足夠的承載力外，還要保證有足夠的延性，以提高整個結(jié)構(gòu)的耗能能力，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。在剪力墻墻肢截面設(shè)計時，當(dāng)縱橫向剪力墻連成整體共向工作時，可將縱墻的一部分作為橫墻的翼緣加以考慮。同時也可將橫墻的一部分作為縱墻的翼緣予以考慮。在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻常常和梁柱連一體，形成帶邊框剪力墻。因此，剪力城墻肢常常按矩形截面、T形截面或工字形截面進(jìn)行設(shè)計。在剪力墻中一般需要配置豎向鋼筋來抵抗彎矩，配置水平鋼筋來抵抗剪力的配筋形式基本上同框架梁。剪力墻結(jié)構(gòu)往往應(yīng)用于住宅和旅館客房開間較小、墻體較多的建筑中。

4.3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)

當(dāng)框架體系的強(qiáng)度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架剪力墻體系。框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系是把框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)共同組合在一起形成的結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)既具有框架結(jié)構(gòu)布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震能力。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。在體系中框架主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力。框架剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設(shè)置，增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內(nèi)力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

4.4 筒體結(jié)構(gòu)

凡采用筒體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為筒體體系，包括單筒體、筒體-框架、筒中筒、成束筒等多種形式。筒體是一種空間受力構(gòu)件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。筒體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng)，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。

以筒體-框架結(jié)構(gòu)為例。核心筒應(yīng)具有良好的整體性，墻肢宜均勻、對稱布置，筒體角部附近不宜開洞，當(dāng)不可避免時，筒角內(nèi)壁至洞口應(yīng)保持一段距離，以便設(shè)置邊緣構(gòu)件，其值不應(yīng)小于500mm和開洞墻的厚度；核心筒外墑的截面焊度不應(yīng)小于層高的1/20及200mm，對一、二級抗震設(shè)計的底部加強(qiáng)部位不宜小于層向的1/16及200mm，當(dāng)厚度不能滿足上述要求時，應(yīng)通過穩(wěn)定驗算，必要時增設(shè)扶壁墻；在滿足承載力要求，以及軸壓比限值時，核心筒內(nèi)墻可適當(dāng)減薄，但不應(yīng)小于160mm。

4.5 強(qiáng)調(diào)“三強(qiáng)三弱”

為體現(xiàn)抗震概念設(shè)計思想，按照建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011-2001)要求應(yīng)實現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)弱桿”，使其具有較好的變形能力。規(guī)范雖然列出了許多具體核算公式，但由于種種原因目前普遍作法是將梁超計算配筋或加大截面而柱筋及截面不變，這就很難保證“強(qiáng)柱弱梁”實現(xiàn)而且實際結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層、剛性層太梁以及樓板的存在，要真正實現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的概念很困難；設(shè)計中局部尺寸或荷載有改變時，設(shè)計人員都習(xí)慣于大幅度增加縱筋而不改善箍筋，則很難保證“強(qiáng)剪弱彎”；設(shè)計人員往往對構(gòu)件進(jìn)行大量計算，增強(qiáng)構(gòu)件，而對節(jié)點不過細(xì)考慮，施工時節(jié)點區(qū)缺少箍筋甚至無箍筋的情況非常普遍。因此，要使“三強(qiáng)三弱”概念得以實現(xiàn)，首先應(yīng)對規(guī)范目前核算公式改進(jìn)使其實用，如采用“實配增大系數(shù)法”來保證，否則公式概念雖然正確但因不易操作不實用，而成為虛設(shè)；其次，設(shè)計人員應(yīng)認(rèn)識到“三強(qiáng)三弱”概念在抗震設(shè)計中的重要性，精心設(shè)計使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有良好的抗震能力。

4.6 建筑物的地基

為防止或減少由于地基沉降或不均勻沉降引起的構(gòu)件開裂或破壞，可以從建筑措施、結(jié)構(gòu)措施、地基和基礎(chǔ)措施方面加以控制。諸如：避免采用建筑平面形狀復(fù)雜、陰角多的平面布置；避免立面體形變化過大；將體形復(fù)雜、荷載和高低差異大的建筑物分成若干個單元；加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度；同一建筑物盡量采用同一類型基礎(chǔ)并埋置于同一土層中等一系列措施。一般對于高層建筑來說，由于需要一定的埋置深度，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，基礎(chǔ)一般采用樁箱或樁筏結(jié)合的形式。此時應(yīng)保證箱體的整體剛度，群樁布置的形心應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)重心相吻合。當(dāng)土層有較大起伏時，應(yīng)使用同一建筑結(jié)構(gòu)下的樁端位于同一土層中，并應(yīng)考慮可能產(chǎn)生的液化影響。

4.7 材料的選擇

在高層建筑中，根據(jù)現(xiàn)在我國建筑鋼材的類型、品種和鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力，建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土(柱)結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，以減小柱斷面尺寸，并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。在超過一定高度后，為減小風(fēng)振，鋼骨(鋼管)混凝土通常作為首選。采用格構(gòu)式的型鋼時，震害嚴(yán)重，采用實腹式的熱軋型鋼或焊接工字鋼的，則震害要減少許多。

5 結(jié)束語

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市建設(shè)用地越來越緊張，為提高用地效率，城市住宅建筑大多朝向高層和超高層發(fā)展，這也為建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。因而我們廣大建筑設(shè)計人員應(yīng)熟悉相關(guān)建筑設(shè)計規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)條文，熟練掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)要點，合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系，做好結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算和優(yōu)化，提高建筑的結(jié)構(gòu)安全性，降低設(shè)計和建造成本，為社會創(chuàng)造出更多的高層建筑精品。