高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及對策分析

段黎明（大同市建筑設(shè)計(jì)研究院　山西大同　037009）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及對策分析

段黎明
（大同市建筑設(shè)計(jì)研究院山西大同037009）

高層建筑與一般建筑不同，考慮到安全性、穩(wěn)定性以及牢固度等各個(gè)方面的因素，所以對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求很高。本文分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，并針對這些問題提出相應(yīng)的對策。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；對策

1　前言

近20年來，城市建設(shè)步伐的加快、經(jīng)濟(jì)的崛起，使我國的高層建設(shè)發(fā)展取得了舉世矚目的成績，出現(xiàn)了金茂大廈、深圳平安國際金融中心等超高層建筑。這對高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。文中主要介紹了我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，并針對一些問題提出了相應(yīng)的對策。

2　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

高層建筑有利于節(jié)約用地，縮短開發(fā)周期，從而減少各方投資、加快城市建設(shè)，帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。當(dāng)建筑的高度超越一定程度的時(shí)候，它的建造在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)應(yīng)用等都發(fā)生了質(zhì)的變化。同時(shí)，高層建筑在設(shè)計(jì)、技術(shù)上也有許多不同于一般建筑的問題需要加以考慮和解決，下面就我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，包括需要注意的幾個(gè)問題進(jìn)行討論：

2.1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

目前，我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則主要包括四個(gè)方面：①結(jié)合實(shí)際情況，科學(xué)合理選擇基礎(chǔ)方案；②選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡圖；③選擇合適的、高效的計(jì)算工具；④統(tǒng)籌各方面的可行性，選擇科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案。

2.2結(jié)構(gòu)體系

現(xiàn)在我國高層建筑結(jié)構(gòu)體系主要分為六大類，包括框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框—筒結(jié)構(gòu)體系、筒中筒結(jié)構(gòu)體系、束筒結(jié)構(gòu)體系，其中前三者較常應(yīng)用于低于250m的一般高層建筑中，而后三者常見于超過250m的超高層建筑中。

2.3結(jié)構(gòu)材料

高層建筑所采用的材料可分鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)抗震性能較好，但造價(jià)高，而且防火性能差；混凝土結(jié)構(gòu)可塑性強(qiáng)，但也存在諸如質(zhì)量大、構(gòu)件尺寸大等缺點(diǎn)；鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)則是將鋼與混凝土組合在一起的結(jié)構(gòu)類型，可以充分發(fā)揮鋼與混凝土兩者的優(yōu)點(diǎn)，這使這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用相對較為廣泛。

2.4高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

控制好高層建筑的高寬比例，確保其穩(wěn)定性；注意考慮高層建筑在遇到風(fēng)力和地震力時(shí)所產(chǎn)生的水平側(cè)向力；設(shè)計(jì)要使建筑體型、平面、立面的質(zhì)量和剛度保持勻稱，保證整體結(jié)構(gòu)沒有薄弱環(huán)節(jié)；注意地震、風(fēng)力、溫度變化和基礎(chǔ)沉降帶來的變形節(jié)點(diǎn)構(gòu)造；注意考慮周圍實(shí)際環(huán)境以及施工條件。

2.5高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見問題

2.5.1扭轉(zhuǎn)問題

建筑結(jié)構(gòu)的剛度中心、幾何形心和結(jié)構(gòu)重心為建筑三心，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量使建筑三心匯于一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三心合一。如果沒有達(dá)到這個(gè)要求，三心發(fā)生扭曲，高層建筑由于其自身的特點(diǎn)，很可能會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的問題，在水平力的作用下，使高層建筑的結(jié)構(gòu)遭到破壞，影響建筑質(zhì)量。

2.5.2抗風(fēng)結(jié)構(gòu)

由于高層建筑的高度原因，使得風(fēng)在建筑表面的流動(dòng)性和空氣動(dòng)力效應(yīng)很容易就發(fā)生改變，因此很可能會(huì)對高層建筑結(jié)構(gòu)中相對柔軟部分產(chǎn)生動(dòng)力或者靜力形式的震動(dòng)，這對于高層建筑的支撐結(jié)構(gòu)和裝飾結(jié)構(gòu)等都會(huì)產(chǎn)生較大的影響，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)要注意抗風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.5.3抗震結(jié)構(gòu)

在當(dāng)今高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，抗震結(jié)構(gòu)一直都是一個(gè)的難點(diǎn)，往往由于各種各樣的原因，忽略對抗震結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計(jì)。由于高層建筑結(jié)構(gòu)本身較為復(fù)雜，使設(shè)計(jì)人員在抗震性能計(jì)算時(shí)，常常不是很精確，導(dǎo)致抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，使高層建筑在地震中很容易遭受到強(qiáng)烈的破壞。

2.5.4高層建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的設(shè)置問題

現(xiàn)在有很多高層建筑都有人防地下工程或者地下室，這就需要在地下室或者人防工程的結(jié)構(gòu)頂板處設(shè)置嵌固端，但是由于對嵌固端設(shè)置缺乏足夠的重視，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，常常忽略其細(xì)節(jié)問題，使高層建筑后期，在嵌固端設(shè)置上進(jìn)行大量修改，給建筑質(zhì)量帶來了重大隱患。

2.5.5短肢剪力墻設(shè)置問題

短肢剪力墻是墻肢的截面的高度和厚度比在5～8之間的墻，在高層建筑中，其設(shè)置應(yīng)當(dāng)要按照施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行，而且在其設(shè)置時(shí)往往有著眾多的限制因素，如某些墻肢僅有0.2m厚，而且在梁與墻的結(jié)合處，受鋼筋、暗柱以及端柱的影響，不但使設(shè)計(jì)的寬度難以實(shí)現(xiàn)，而且可能造成梁的強(qiáng)度不足。而在較短的墻肢上設(shè)置短肢剪力墻，很可能會(huì)由于墻肢與異形柱在受力性能上的接近，致使截面抗扭性能不高。

3　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見問題的對策分析

3.1合理平面布局

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，水平荷載對建筑的重大影響、扭轉(zhuǎn)問題的出現(xiàn)一般都是由于三心未合一，使建筑物質(zhì)量分布不均勻。為避免這種情況的發(fā)生，就要求設(shè)計(jì)人員對高層建筑的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)選用相對規(guī)則的簡單圖形，同時(shí)盡量避免使用L形、T形、十字形等平面圖形，避免建筑結(jié)構(gòu)突出部分過大，盡量確保結(jié)構(gòu)的對稱性。

3.2做好抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

針對高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。①基礎(chǔ)優(yōu)化。基礎(chǔ)牢固是抗風(fēng)性能的保證。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)可選用級配高級的砂石，在基礎(chǔ)持力層中加設(shè)抗拔錨桿；②增加耗能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對一些非承重構(gòu)件可利用耗能構(gòu)件來抵消風(fēng)力對建筑的影響；③設(shè)計(jì)時(shí)要注意控制風(fēng)力引起的水平結(jié)構(gòu)內(nèi)力與風(fēng)力自身的疊加形成的更大的水平力，選用高性能混凝土進(jìn)行施工，抗衡這種疊加力；四是提高結(jié)構(gòu)承載力和抗風(fēng)力。首先對高層建筑結(jié)構(gòu)承載力、抗風(fēng)力進(jìn)行驗(yàn)算，然后以此為基礎(chǔ)，制定出一個(gè)放大系數(shù)，進(jìn)一步確保高層結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。

4　總結(jié)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性技術(shù)工作，對于高層建筑的發(fā)展有著基礎(chǔ)性的指導(dǎo)意義。隨著科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也將會(huì)獲得更好的發(fā)展前景，要求也會(huì)越來越高。

[1]徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]何俊旭.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選型探討[J].價(jià)值工程，2010，2：214.

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TU973

A

1673-0038（2015）51-0054-02

2015-12-1

段黎明（1980-），男，工程師。