高層建筑結構設計的問題與對策研究

蔣全

（廣州火柴建筑設計咨詢有限公司廣東廣州510000）

高層建筑結構設計的問題與對策研究

蔣全

（廣州火柴建筑設計咨詢有限公司廣東廣州510000）

隨著我國社會經濟增長和城鎮化率不斷提高，城鎮人口的增長所帶來的居住、經營活動對建筑空間的需求日益增長，高層建筑因此在城市建筑群當中占據著越來越重要的地位。結構設計在高層建筑中承擔著安全性、經濟性、適用性三大重要功能，本文簡要闡述高層建筑結構的整體結構方案選取、基礎選型、抗側力體系布置與構造措施等在高層建筑結構中的幾大重點問題，并針對這些問題提出一些相關研究及對策，旨在提高高層建筑結構設計的質量。

高層建筑；結構設計；重點問題；對策研究

1　引言

我國是一個人口大國，而隨著城市化的不斷發展，城鎮中心區居住用地面積日益減少，相應的促使我國住宅建筑的主趨勢是向高層建筑方向發展。高層建筑及結構的工程設計屬于技術密集型產業，具有系統性、綜合性和復雜性的特點。在考慮到國民經濟發展的程度，同時高層建筑在防火、抗震、抗風、沉降變形等方面較多層建筑具有更多的挑戰，而在結構設計過程中，常常由于各種如人為因素、技術因素以及其他環境因素等的影響，給高層建筑的結構設計帶來諸多問題。因此，如何改善和解決這些在設計中的隱性問題，對將來高層建設的順利建設有著十分重要的意義。

2　高層建筑中可能出現的主要問題

2.1結構抗震

我國將高層建筑定義為10層及以上、高度超過28m的住宅建筑或高度大于24m的其他高層民用建筑。由于建筑高度的提高，在結構抗震理論體系中，結構所受到的側向水平地震力引起的基底總剪力相應增加，對豎向抗側力構件如剪力墻、柱的抗側力性能提出更高的要求。而能否讓剪力墻、框架柱形成一個安全高效的抗震結構體系，在實際地震作用下實現“強柱弱梁、強剪弱彎”的構件節點抗震效能，均是值得探討的重要問題。

2.2結構抗風

結構的水平作用除了水平地震以外便是風荷載，而風荷載具有經常性，同時風壓強度的隨建筑物的高度呈倒三角形變化，是不可忽視而必須精確計算的一種作用。但由于風荷載的作用大小與建筑的體型、周邊建筑遮擋等存在密切關系，能否通過有效的選取體型以及迎風面來達到減少風作用總值、合理計算風荷載作用下的梁柱構件強度計算，屬于此項設計中的重點難點。

2.3地基基礎

毫無疑問，基礎設計是高層建筑設計中的重中之重。建筑上部結構的荷載通過板、梁、墻柱的傳導順序傳至基礎，基礎再通過與基底的土（巖）的整體變形擴散應力。在設計基礎時，能否結合勘察資料根據下層土體的力學性質來確定合理經濟的基礎型式，并通過承載力計算和沉降變形計算控制，適當考慮變剛度調平原則，合理確定上下部共同作用的結構體系，是基礎設計中的重點。

2.4構造措施

高層建筑除了在結構的力學計算上，需要實現較好體系整體性之外，還需要在實現這些性能的細節上予以保障，而這就是結構的構造措施必須進行嚴格設計的必要性。比如，要確保在地震作用下結構具有作用的變形延性，必須要控制墻柱的軸壓比；而要減少薄弱部位在地震時發生變形突變的可能性，豎向收進大于25%的上下相鄰樓層的豎向構件抗震構造措施上，需提高一級；這些也是不能忽視的設計重點。

3　高層建筑物中問題的解決和改善

針對以上提出四點問題，建筑結構設計的各階段均應注意，才能做到安全、經濟、合理的結構設計目標。主要從以下幾個方面進行重點控制和改善：

3.1前期方案階段選擇合理、科學的高層建筑設計方案

合理、科學的建筑設計方案是結構設計的先天條件和首要問題，尤其是幾個非常重要的關鍵因素，即：建筑高度、高寬比、是否存在連體建筑、有效樓板寬度等指標是否滿足結構規范要求；通過前期的結構介入，為實現結構體系的合理，規避不必要的錯層、高度超限等導致的結構超限，而由此進入超限設計審查，相應會導致結構加強措施的增加和成本提升。

3.2合理布置豎向構件，改善高層建筑的抗震性能

由于高層建筑的特殊性，其抗震性能必須得到有效的保障。就抗側力體系而言：①需要保證其各部分的結構剛度的均勻性、對稱性，還有各結構單元的平面、立體的形狀也盡量保持規整、規則。以上是概念設計的要求，也是確保結構受力在剛度分配作用原則下盡量均勻，不出現單側受力明顯大于垂直方向，也是避免產生過大的扭轉位移的有效手段。②但在建筑方案日益復雜的現實情形下，無法保證結構規整的情形下，在通過整體電算軟件的分析后（通用有限元軟件如PKPM、Midas等），確保結構質量中心和剛度中心盡量重合。③應通過適當的布置豎向構件，應盡量確保豎向構件連續，避免不必要的轉換結構，相應的避免了薄弱層的出現。

3.3風作用控制下的結構整體計算注意問題

由于風荷載作用與地震作用在區域分布上不存在相關性，在部分沿海低烈度地震區，如廣東珠海，基本風壓為0.75kN/m2，抗震設防烈度為Ⅶ度（地震峰值加速度0.10g），計算中往往出現風荷載作用下的層間位移角大于地震作用下計算值。而根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）要求及條文說明，對60m以上的建筑建議判別為風荷載敏感建筑，承載力計算設計時應予以乘以1.1倍的放大系數，但整體指標計算時不得放大。這是需要重點注意的問題一，若忽略此問題，則導致的問題不是內力計算偏大便是配筋計算偏小，均不可取。

3.4合理選取基礎方案

從工程勘察階段，注意復核地質勘探的結果是否滿足結構設計的要求，如高層巖土勘察規范對鉆探孔的布置間距要求及控制性鉆孔的占比、鉆孔入持力層深度是否符合，確保基礎選型的前提無誤。判定持力層后選取是采用樁基礎還是獨立基礎，是否存在軟弱下臥層或溶洞、孤石等不利地質情形，是否需要換填等地基處理。根據上部建筑荷載分布和大小，最大化的利用地基的承載能力，最大的確保總體沉降符合規范，并減小結構不同部位的差異不均勻沉降，選擇最合理的基礎方案。

3.5結構構造措施的合理設計

構造措施包含軸壓比、鋼筋抗震錨固長度、構造配筋要求等內容。應注意結構抗震等級與構造措施的一致性，若出現構造措施低于抗震等級要求，則偏于不安全。鋼筋抗震錨固長度為基本錨固長度乘以抗震錨固系數，應特別注意在梁、墻平面外剛接時的最小直錨長度是否足夠，否則節點抗震性能不能完全發揮。軸壓比則必須在準確的荷載計算的前提下，作為抗震第一道防線得到保證。

3.6剛重比分析和嵌固端的選擇

剛重比分析作為判別結構剛性是否滿足在重力二階作用下引起不可忽略的二次應力作用下的重要指標，不可忽視，否則易造成結構內力計算的偏小而偏于不安全。嵌固端作為水平作用的剛性端，以按規范要求以上下兩層的剛度比是否小于0.5作為依據，實際工程由于需要進行嵌固端判別往往為地下室頂板，應注意計算下層剛度時的外伸跨度通常為三跨，若頂板為無梁樓蓋體系，則應以剛度相等原則以等代梁剛度進行換算確定。

4　總結

綜上所述，高層建筑的結構設計是一個系統性和綜合性兼備的工程任務，需要結構設計師培養較強的責任心和細致性，同時能在高層建筑的結構設計上以規范和概念設計的原則為指導，規避常見的誤區和問題，合理選擇和布置結構整體體系，做好措施處理，才能實現在保證安全的前提下滿足其他經濟指標。

[1]孟憲博，于文池.談高層建筑設計中應注意的多項問題[J].科技創新與應用，2012（24）.

[2]趙彤.高層建筑結構基于性能抗震設計思想的應用[J].結構工程師，2011（2）.

[3]張亞，陳偉.探討高層建筑結構設計問題[J].科技致富向導，2010（17）.

[4]鄭克勤.關于高層建筑結構設計的探討[J].中華民居，2011（03）.

TU318

A

1673-0038（2015）14-0005-02

2015-3-18

蔣全（1988-），男，助理工程師，大學本科，主要從事建筑結構設計工作。