高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題探討（二）

李海東

【摘要】高層建筑在平面布置和體型構(gòu)造上也越來越復(fù)雜化，這對現(xiàn)代高層建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析來說，無疑是一種挑戰(zhàn)。而在對鋼筋混凝土高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其中有許多的重點(diǎn)和細(xì)節(jié)需要加以注意，本文將結(jié)合筆者多年的建筑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題進(jìn)行具體探討。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0引言

高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可采用框架、剪力墻、框架——剪力墻、筒體和板柱——剪力墻結(jié)構(gòu)體系。高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向布置應(yīng)該有合理的剛度分布，同時(shí)在水平布置上也應(yīng)有合理的承裁力分布，就能避免因局部位置突變而形成薄弱部位。而且鋼筋混凝土具有整體性好、剛度大、位移小等優(yōu)點(diǎn)，高層建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以說是現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，不但需要符合相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)該遵循結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)首先必須保證結(jié)構(gòu)的安全性和使用性能；還要盡量簡化結(jié)構(gòu)，有效的減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件；另外，結(jié)構(gòu)需要具備足夠的剛度，設(shè)計(jì)時(shí)尤其要注意特殊部分的剛度問題。

1.2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層建筑鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對結(jié)構(gòu)整體的內(nèi)力進(jìn)行分析，然后根據(jù)梁柱各構(gòu)件的控制內(nèi)力來對截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，再對滿足荷載效應(yīng)水平要求的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋量進(jìn)行計(jì)算分析，最終確定設(shè)計(jì)結(jié)果。設(shè)計(jì)過程中可能會使原結(jié)構(gòu)的荷載特征與幾何特征發(fā)生變化，在現(xiàn)荷載的作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布特征會有所改變，而各控制截面的控制內(nèi)力也會隨之發(fā)生變化，優(yōu)化設(shè)計(jì)需要依據(jù)這種變化進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)，因此可以說鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。

1.3框架——剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)延性與剛度的最佳選擇便是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在承載力不變的前提下結(jié)構(gòu)延性對結(jié)構(gòu)影響最大的是變形能力，結(jié)構(gòu)剛度對結(jié)構(gòu)影響最大的是側(cè)向位移和自振周期。因此，可以利用結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向位移量。來對結(jié)構(gòu)延性和結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行調(diào)整。結(jié)構(gòu)延性和結(jié)構(gòu)剛度要依據(jù)規(guī)范按照層間位移量與頂點(diǎn)位移總側(cè)移的限值來進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但能夠滿足結(jié)構(gòu)受力要求，也可以節(jié)約成本。

2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

2.1結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)問題

通常情況下，除了特殊設(shè)計(jì)需要，高層建筑不適合選擇特別不規(guī)則的平面布置。高層建筑的外型應(yīng)該盡量簡單、規(guī)則，以便保證其剛度和承載力的均勻分布。根據(jù)抗震等級不同的建筑，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到其平面尺寸和突出部位尺寸的比值都在合理范圍內(nèi)，另外，盡量不考慮采用角部重疊的平面圖形。

2.1.1在對結(jié)構(gòu)平面進(jìn)行布置時(shí)，要盡量減少扭轉(zhuǎn)的產(chǎn)生，尤其要考慮到水平地震作用力下的偶然偏心影響問題。對樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮以下原則；對于A級高度的高層建筑，其最大水平位移和層間位移應(yīng)該小于該樓層平均值的1.2倍，不能超過該樓層平均值的1.5倍；對于B級高度的高層建筑或者超過A級高度混合結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜高層建筑，應(yīng)該小于該樓層平均值的1.2倍，不能超過該樓層平均值的1.5倍；

2.1.2在對高層鋼筋混凝土建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量調(diào)整好高層建筑的平面形狀和結(jié)構(gòu)布置，盡量避免設(shè)置防震縫。如果必須設(shè)置防震縫，那么當(dāng)框架結(jié)構(gòu)高度不超過15m時(shí)，縫寬應(yīng)該大于100mm，如果高度超過15m時(shí)，應(yīng)該根據(jù)烈度和高度的不同，來適當(dāng)進(jìn)行加寬。在對防震縫寬度進(jìn)行確定時(shí)，如果縫兩側(cè)的建筑高度不同，防震縫的寬度則應(yīng)該依據(jù)較低一側(cè)的高度來確定；

2.1.3《高規(guī)》中，截面厚度小于300m，各肢截面高度與厚度比的最大值在4～8之間的剪力墻為短肢剪力墻。在實(shí)際的高層建筑中短肢剪力墻設(shè)置會增加許多限制。所以，工程師在進(jìn)行高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量減少或者不采用短肢剪力墻。

2.2豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

高層建筑的豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，它對建筑的整體質(zhì)量影響極大。高層建筑的豎向結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量規(guī)則、均勻，避免有較大的外挑和內(nèi)收。高層建筑的豎向結(jié)構(gòu)應(yīng)該以重心穩(wěn)定為前提，保持上小下大的形狀，并且其變化也應(yīng)該是循序漸進(jìn)的。如果豎向結(jié)構(gòu)不垂直或者不均勻，就需要外加單獨(dú)的構(gòu)造設(shè)計(jì)來滿足高層建筑的整個(gè)平衡和穩(wěn)定。從抗震的角度來看，豎向內(nèi)收型樓層的側(cè)向剛度不應(yīng)該小于相鄰上一層的70%，也不應(yīng)該小于其相鄰上三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%。A級高度的高層建筑，其樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力應(yīng)該大于相鄰上一層受剪承載力的80%，一定不能低于相鄰上一層受剪承載力的65%；對于B級高度的高層建筑，其樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力應(yīng)該大于相鄰上一層受剪承載力的75%。樓層的質(zhì)量沿著高度應(yīng)該均勻分布，不能出現(xiàn)樓層間質(zhì)量相差大太的問題。

2.3梁柱受力主筋設(shè)計(jì)問題

當(dāng)框架梁的截面寬度與框架柱的邊長相等，或者框架梁的一邊與框架柱重合時(shí)，框架柱受力主筋和框架梁的受力主筋位置便會產(chǎn)生矛盾。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循強(qiáng)剪弱彎與強(qiáng)柱弱梁的原則，應(yīng)該首先對框架柱受力主筋的位置加以保證。可以考慮將框架梁主筋從框架柱內(nèi)側(cè)通過，考慮在框架梁靠近柱一側(cè)的四角增加4根鋼筋來作為架立鋼筋的方法，來保證框架梁截面的尺寸。這樣的設(shè)計(jì)方法不但可以保證框架結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的受力主筋位置，也方便了工程施工。

2.4墻梁節(jié)點(diǎn)鋼筋設(shè)計(jì)問題

在框架——剪力墻結(jié)構(gòu)中，框架梁或者次梁如果直接設(shè)置在核心筒墻體暗梁或者過梁上，當(dāng)框架梁的截面和暗梁或過梁的截面高度相同時(shí)，框架梁主筋和核心筒暗梁或者過梁主筋的位置就會產(chǎn)生矛盾。此時(shí)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量保證暗梁或者過梁箍筋的完整性。設(shè)計(jì)時(shí)，過梁下鐵設(shè)置分兩排布置，框架梁下鐵可布置在過梁下鐵第一與第二排鋼筋之間，框架梁接頭位置應(yīng)該設(shè)置在支座附近，并安一定比例錯(cuò)開。框架梁上鐵可直接擱置在過梁上鐵上，同時(shí)框架梁主筋錨固的長度必須符合規(guī)范。另外，在框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主梁與次梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)非常重要，所以，主次梁鋼筋位置的設(shè)計(jì)也就成為重點(diǎn)。通常情況下，次梁上鐵鋼筋應(yīng)該在主梁鋼筋之上，次梁主筋在板筋之下，如果主次梁節(jié)點(diǎn)的鋼筋設(shè)計(jì)不好，就會使板筋或次梁上鐵鋼筋保護(hù)層厚度過小，對于結(jié)構(gòu)的抗震能力會有一定影響。

2.5抗震等級設(shè)計(jì)問題

高層建筑鋼筋混凝土設(shè)計(jì)必須注意其抗震等級設(shè)計(jì)的問題，在對高層建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)該根據(jù)抗震設(shè)防分類、烈度、結(jié)構(gòu)類型以及建筑高度等不同需要來設(shè)計(jì)不同的抗震等級，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該符合相應(yīng)計(jì)算和構(gòu)造要求。

3結(jié)論

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比，具有整體性強(qiáng)、剛度大、位移小和舒適度好的優(yōu)點(diǎn)。在我國的高層建筑中大多采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，所以鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題也就非常重要。高層建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，每個(gè)小失誤都有可能導(dǎo)致建筑出現(xiàn)各種質(zhì)量問題。建筑設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該嚴(yán)格按照國家相關(guān)規(guī)定，認(rèn)真分析、科學(xué)計(jì)算，確保高層建筑的整體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全。

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