淺談高層建筑結構設計問題

宋金蘭

（江西省吉安市建筑設計規(guī)劃研究院，江西 吉安 343000）

對于高層住宅的結構設計，作為結構設計師在進行結構選型時，不僅要考慮結構體系的適用性與經(jīng)濟性，還要充分考慮抗震性能等幾方面。

1 高層建筑結構設計方面的原則

1.1 選用適當?shù)挠嬎愫唸D：結構計算式在計算簡圖的基礎上進行的，計算簡圖選用不當則會導致結構安全的事故常常發(fā)生，所以選擇適當?shù)挠嬎愫唸D是保證結構安全的重要條件。計算簡圖還應有相應的構造措施來保證。實際結構的節(jié)點不可能是純粹的鉸結點和剛結點，但與計算簡圖的誤差應在設計允許范圍之內。

1.2 選擇合適的基礎方案：基礎設計應根據(jù)工程地質條件，上部結構類型與載荷分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進行綜合分析，選擇經(jīng)濟合理的基礎方案，設計時宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力，必要時應進行地基變形驗算。基礎設計應有詳盡的地質勘察報告，對一些缺少地質報告的建筑應進行現(xiàn)場查看和參考臨近建筑資料。通常情況下，同一結構單元不宜用兩種不同的類型。

1.3 合理選擇構方案：一個合理的設計必須選擇一個經(jīng)濟合理的結構方案，也就是要選擇一個切實可行的結構形式和結構體系。結構體系應受力明確，傳力簡捷。同一結構單元不宜混用不同結構體系，地震區(qū)應力求平面和豎向規(guī)則。總而言之，必須對工程的設計要求、材料供應、地理環(huán)境、施工條件等情況進行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業(yè)充分協(xié)商，在此基礎上進行結構選型，確定結構方案，必要時應進行多方案比較，擇優(yōu)選用。

1.4 正確分析計算結果：在結構設計中普遍采用計算機技術，但是由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導致不同的計算結果。因此設計師應對程序的適用范圍、條件等進行全面了解。在計算機輔助設計時，由于結構實際情況與程序不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會導致錯誤的計算結果，因而要求結構工程師在拿到電算結果時應認真分析，慎重校核，做出合理判斷。

1.5 采取相應的構造措施：結構設計始終要牢記“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓若拉原則”，注意構件的延性性能；加強薄弱部位；注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的執(zhí)行段錨固長度；考慮溫度應力的影響力。

2 高層建筑結構設計的特點

2.1 水平力是設計主要因素

在低和多層房屋結構中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結構設計產生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，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，其數(shù)值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化。

2.2 抗震設計要求更高

有抗設防的高層建筑結構設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結構具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

2.3 軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續(xù)梁彎矩產生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之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，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調整；另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安壘的結果。

2.4 結構延性是重要設計指標

相對于較低樓房而言，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，特別需要在構造上采取恰當?shù)拇胧瑏肀ＷC結構具有足夠的延性。

3 重點提高結構重要部位的延性

為了提高高層建筑的抗震能力和抗倒塌能力，在結構設計時應該盡可能的提高所有構件的延展性。但是在具體操作中，想要完全做到這一點是不切實際的。因而，通常會選擇提高結構中重要構件或是某些構件中的一些關鍵部位的延性。

在豎向結構對于剛度沿高度均勻分布、結構比較簡單的高層建筑，在提高延性時主要側重于底部構件；對于底盤較大的高層建筑，在結構設計時應該著重提高主樓和裙樓屋面相銜接處構件的延性；對框支結構則要重點加強底部幾層或是底層框架的延性；而對于那些不規(guī)則立面的高層建筑，要注意提高形體突變處構件的延性。

在結構平面位置上，應該注意建筑周邊轉角處、平面突變處和復雜平面各翼相接處構件的延性；對偏心結構，則主要是加大建筑物周邊特別是剛度較差一側構件的延性；對那些有多道抗震防線抗側力構件，在結構設計時要著重加大第一道防線構件的延性。

4 高層建筑結構的相關問題分析

4.1 結構的超高問題：在抗震規(guī)范和高規(guī)范中，對結構的總高度有著嚴格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為A級高度以為，增加了B級高度，處理措施與設計方法都有較大改變。在實際工程設計中，出現(xiàn)過由于結構類型的變更而忽略該問題，導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當巨大。

4.2 短肢剪力墻的設置問題：在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設計中，結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。

4.3 嵌固端的設置問題：由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協(xié)調等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。

4.4 結構的規(guī)則性問題：新舊規(guī)范在這方面的內容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案。”因此，結構工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

結語

隨著高層建筑的快速發(fā)展，在高層建筑的結構設計中都可能會遇見各種問題。這就需要工程設計人員不斷的提高自身的知識和業(yè)務能力，結合高層建筑工程的具體狀況，對結構設計中的各項問題進行合理分析和科學判斷，并運用恰當?shù)姆椒ㄟM行處理和完善，保證高層建筑結構的設計質量。

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