高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題與相關(guān)方法

■湯 洪 ■重慶市鵬博建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，重慶市 402260

隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，建筑結(jié)構(gòu)日益多樣化，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和城市人口的增加，建筑物必須要有較大的容積率，所以高層建筑越來越多的出現(xiàn)在城市建設(shè)中，但由于高層建筑自身的復(fù)雜性和獨(dú)特性，所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有更大的難度，因此必須對高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。首先應(yīng)當(dāng)了解高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而了解其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，據(jù)此探討高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)注意的問題，從而提出相關(guān)方法。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和影響因素

1.1 水平荷載是主要的影響因素

由于建筑的層數(shù)多，受水平荷載和豎直荷載影響，但是起決定作用的是水平荷載。因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，與建筑高度的一次方成正比的是建筑自身和樓面荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，而水平荷載所產(chǎn)生傾覆力和軸力則與建筑高度的兩次方成正比。而且由于建筑的高度確定，所以其豎直荷載基本上是定值，但是其水平荷載會隨著建筑的穩(wěn)定性和外界動力原因發(fā)生變化并且水平荷載和變化也會影響到建筑的側(cè)移。由此看來，水平荷載仍舊是主要的影響力，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)充分注重對于水平荷載的控制。

1.2 外界地震和風(fēng)力的影響

高層建筑由于其自身的高度和荷載的問題，在外界自然力的作用下很容易受到損毀。在高層建筑中，風(fēng)力作用會隨著建筑層數(shù)的增高而加強(qiáng)，在很大程度上影響建筑的穩(wěn)定性，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)充分重視風(fēng)力的影響。另外，地震也是不可測因素，高層建筑中結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力不均衡，地震的超強(qiáng)作用力會很大程度上損害結(jié)構(gòu)的安全性，高層建筑荷載大，而且樓層高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地震發(fā)生時(shí)的人員疏散十分棘手。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題

2.1 抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑對風(fēng)振作用比較敏感，抗風(fēng)壓是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容之一。高層建筑層數(shù)高，對于高空中的風(fēng)具有干擾作用，影響風(fēng)的自然對流，因此會改變風(fēng)在周邊建筑物的流動效應(yīng)和空氣的動力效應(yīng)，對于高層建筑會產(chǎn)生動力荷載，越往高層，風(fēng)壓越大，危險(xiǎn)系數(shù)也越大，很有可能造成高層結(jié)構(gòu)的破壞，造成不良后果。

2.2 注重抗震的設(shè)計(jì)

我國的很多地區(qū)都處在地震帶上，所以在高層建筑的設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)充分重視抗震設(shè)防，抗震性能不僅需要考慮豎直荷載，還需要考慮風(fēng)荷。確保高層建筑在地震的影響下不會坍塌，從而保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2.3 結(jié)構(gòu)的消防設(shè)計(jì)

高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能決定了其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而且高層建筑的功能各異，建筑材料也多樣化，其中的很多材料都具有可燃性。另外，高層中空氣的對流作用強(qiáng)，風(fēng)力作用大，一旦火災(zāi)發(fā)生，很容易造成火勢蔓延，另外，復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不利于人員的疏散工作。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

3.1 選擇科學(xué)合理的基礎(chǔ)方案

在高層建筑的施工建設(shè)之前，應(yīng)當(dāng)充分考察建筑項(xiàng)目附近的地質(zhì)地貌條件，從而選擇科學(xué)合理的建設(shè)方案。應(yīng)當(dāng)充分掌握高層建筑項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)類型，荷載分布，全面分析建筑的施工條件，因地制宜，選擇合理恰當(dāng)?shù)氖┕し椒ā?/p>

3.2 合理地選擇計(jì)算簡圖

由于高層建筑自身的復(fù)雜性，在施工過程中必然會出現(xiàn)一些突發(fā)問題，因此其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須要依照計(jì)算簡圖，對于計(jì)算簡圖，必須要保證其準(zhǔn)確性和合理性，在安全的基礎(chǔ)上選擇合理的計(jì)算簡圖。

3.3 合理地選擇計(jì)算工具

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)越來越多的應(yīng)用到高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，并且得到了很好的應(yīng)用，因此作為一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)算工具，操作人員必須要掌握計(jì)算機(jī)的運(yùn)行操作技術(shù)，熟練運(yùn)用其計(jì)算功能，從而保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，提高運(yùn)算速度。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的問題和相關(guān)方法

4.1 結(jié)構(gòu)的扭曲問題

結(jié)構(gòu)中心、剛度中心、幾何中心是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的建筑三心，建筑三心合一是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的重要目標(biāo)。但是在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在著三心扭曲的現(xiàn)象，所以在長期的水平荷載作用下會出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的扭曲震動，影響了建筑的安全系數(shù)。高層建筑在水平荷載的影響下，會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用，其扭轉(zhuǎn)的程度取決于建筑的質(zhì)量分布，為減小扭轉(zhuǎn)作用，建筑平面應(yīng)當(dāng)盡量采用方形、圓形、正多邊形等平面形式，為追求美觀效果，如果需要建筑采用較為復(fù)雜的平面形式，應(yīng)當(dāng)盡量使結(jié)構(gòu)對稱，三心合一，增加其穩(wěn)定性。

4.2 短肢剪力墻的設(shè)置問題

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，墻肢的截面的高度和厚度必須要按照以往施工情況以及結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行高層建筑短肢剪力墻設(shè)置。因此墻的厚度必須保持在一定范圍內(nèi)，在墻與梁的連接處進(jìn)行鋼筋、短柱的加固，盡量減少間隔墻表的凹凸不平情況，部分的剪力墻可以根據(jù)厚度與較長的墻或者異形柱連接。

4.3 高層建筑的地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前很多的高層建筑都會進(jìn)行地下室的開發(fā)建設(shè)，地下室的混凝土外墻會受到外側(cè)壓力的控制，會對地下室外墻產(chǎn)生永久荷載，因此側(cè)面壓力在計(jì)算時(shí)必須與荷載分項(xiàng)系數(shù)相乘。

4.4 消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

(1)合理控制防火間距。間距的計(jì)算依據(jù)是建筑物每棟之間的距離，從每一棟外墻突出的可燃物件邊緣開始計(jì)算。因?yàn)楦邔咏ㄖ慕Y(jié)構(gòu)復(fù)雜所以防火設(shè)計(jì)要因地制宜，提高防火的靈活度。

(2)安全疏散的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)。高層建筑的疏散路線成垂直狀態(tài)，但是火災(zāi)時(shí)電梯會停止使用，并且在火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙霧會阻塞通道，因此在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)當(dāng)著重注意疏散通道的設(shè)計(jì)，設(shè)置防煙區(qū)等。

5 結(jié)語

高層建筑隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長，高層建筑越來越多的在城市中出現(xiàn)，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其重要的組成部分。高層建筑由于其自身的復(fù)雜性，其安全性和穩(wěn)定性受到很多因素的影響，主要是水平荷載和外界地震以及風(fēng)力的影響，而且在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意三心合一，控制結(jié)構(gòu)的扭曲與側(cè)移問題，做好地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對于消防設(shè)計(jì)遵循防護(hù)與應(yīng)急相結(jié)合的原則，合理設(shè)置短肢剪力墻。

［1］趙東曉.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題與對策研究［J］.商品混凝土，2012(09):132 -133.

［2］王義文，馮興傳.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題及對策探討［J］.城市地理，2014(12):90.

［3］王允.淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題［J］.中華民居(下旬刊)，2013(12):57，60.

［4］廖勇.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問題探討［J］.科技致富向?qū)В?012(15):386.