關于鋼筋混凝土高層結構設計要點的探析

何雄杰

摘要：隨著城市進程加快土地資源的緊缺導致建筑建設成本大大提高，以及人們對高大上建筑的追求，使的高層建筑得以快速發展。城市里高樓遍地林立，高層建筑結構設計也因此成為我們結構設計師們必備的一項技能。根據我多年高層結構設計經驗給那些即將進行高層設計的工程師們一些意見和建議。

關鍵詞：高層建筑；鋼筋混凝；結構設計

前言

鋼筋混凝土結構設計是一個復雜的過程，結構設計人員必須掌握結構設計的特點，注重結構概念設計，采取合理的計算模型對關鍵部位和重要問題采取針對性措施，減少設計過程中的遺漏或錯誤。不斷地進行優化設計，最終實現安全、適用、經濟和耐久的目的。

1 鋼筋混凝土高層建筑結構設計的現狀

1.1 地基穩定性不足

高層建筑鋼筋混凝土結構設計，受到地基穩定性不足的影響，表現出結構缺陷，始終無法達到結構設計的標準。地基對鋼筋混凝土結構的影響，主要體現在兩方面：（1）地基承載不足，高層建筑的地基無法承受鋼筋混凝土的重量，容易出現沉降、偏移；（2）地基受力分配不平衡，導致鋼筋混凝土結構處于風險狀態中，直接影響高層建筑的內部受力，毀壞鋼筋混凝土的結構。

1.2 框架結構不全面

鋼筋混凝土的框架結構無法在高層建筑中起到支撐作用，部分框架結構點存在質量缺陷。例如：某高層建筑在框架結構方面，缺乏角度、橫梁控制，導致框架結構與鋼筋混凝土結構設計無法達到配合狀態，滿足不了該建筑的結構需求，最終該框架結構需要重新設計，既消耗人力、物力，又影響到高層建筑的成本控制。

1.3 預應力分配不均勻

預應力問題在鋼筋混凝土結構中比較常見，基本是由結構設計數據、受力等因素引起，干擾鋼筋混凝土的受力分析，無法標準分配預應力。鋼筋混凝土結構設計中的預應力問題，需借助科學計算和專業的分配，才可達到平衡分配的狀態。

2 鋼筋混凝土高層建筑結構設計的原則

2.1 安全性原則

我們為何要進行結構設計？結構設計的就是：“一要安全、二要節約資源控制造價”，其中首要的也是最根本的目的就是安全，一個不安全的結構沒有任何價值。鋼筋混凝土高層結構設計要以安全為前提，要以安全為首要任務，這就不僅要求我們設計圖紙要滿足各項設計規范、規程，確保結構設計安全無誤，還要求便于安全施工，施工單位能夠順利安全的編制施工方案，順利安全的完成施工。如果設計要求根據現有的施工技術達不到或存在較大的施工安全性，結構設計方案就要調整否則最后只能徒勞無果。

2.2 適用性原則

我們建設高層建筑的最終目標就是要使用它的功能，雖然這主要是建筑專業的事，我們結構設計也要遵循使用性原則。我認為具體牽涉到結構選型，梁柱布置。比如建筑專業需要大空間我們就不能布置小柱網，墻柱不能落地我們就要設置轉換結構，總之結構布置不能影響建筑功能，保證建筑建成后具備良好的使用功能，不至于花費大量人力物力財力建造的建筑中看不中用。

2.3 可靠性原則

任何材料都有它的使用壽命，這就使得我們建筑結構也有設計使用年限。使用年限有5年到100年不等，設計時根據結構用途和重要進行相應設計。臨時建筑一般只有幾年，一般建筑50年，非常重要建筑100年。結構設計要根據不同設計年限采用不同設計要求。對于超過設計年限的建筑我們是不是就要報廢呢？當然不是，在國外經常看到超過100年的建筑還在正常使用，因此在對建筑進行結構設計時要堅持可靠性原則，對所使用的材料和技術要成熟耐久可靠。我們設計的建筑一般均為50年，但是有的現在才30多年就出現垮塌，這樣事故報道屢見不宣了，當然原因很多，其中就有忽視材料耐久性可靠性這一條。

3 鋼筋混凝土高層建筑結構選型

鋼筋混凝土高層結構結構形式：框架、框架-剪力墻、剪力墻、筒體、板柱-剪力墻。對于每種結構形式適用高度高層規范上都有明確規定，在工程設計的結構選型階段，我們不僅要根據建筑高度選擇合適的結構形式，還應該注意以下幾點綜合考慮：

3.1 建筑使用功能

建筑一般為工業和民用之分。工業高層很少，使用上需要大空間一般都用框架結構或框架一剪力墻結構。民用有住宅、辦公、商業之分、住宅一般平面不規則用剪力墻結構較多，也有框架一剪力墻結構。辦公和商業一般用框架和框架-剪力墻結構，如果高度較高可采用筒體結構。

3.2 結構的規則性問題

規范在這方面的內容規定比較詳細，主要是指平面布置和豎向布置，具體規定高層規范和抗震規范均有詳細規定。我們在設計時盡量出現不規則結構，往往建筑布置就是不規則無法避免，這樣就會出現原定計劃用框架結構的計算無法通過，這時就要采用框架-剪力墻結構減少超限數。無論高規還是抗規都采用強制性條文明確規定，建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。如果建筑達到特別不規則要報建設部專門審查。因此，結構工程師在遵循規范的這些限制條件上必須嚴格注意，盡量減少不規則程度選擇更合適結構形式。

3.3 結構的超高問題

在抗震規范與高規中對結構的總高度都有明確的規定，鋼筋混凝土高層規范將建筑限制高度設定為A級和B級，必須對結構的該項控制因素嚴格注意，雖然A級限高比B級嚴格，設計時盡量遵守A級要求，一旦結構為B級高度建筑甚或超過了B級高度，其設計方法和處理措施有較大的變化。在實際工程設計中可能就會出現高度達到B級了，設計方法和構造要求還是按A級處理的，導致結構不安全，施工圖審查時未通過必須重新進行設計或需申請專項審查論證等工作的情況，規范規定的最低構造措施要求往往都是針對A級的設計時結構高度盡量按A級要求。

3.4 剪力墻的設置問題

規范規定墻肢長度大于8倍墻厚為長肢墻即一般墻，墻肢長與墻厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻，墻肢長與墻厚比小于5為超短肢墻。根據建設單位實際工程反饋，短肢剪力墻與一般剪力墻混凝土用量和鋼筋總用量相差不大。但是規范卻對短肢剪力墻在高層建筑中的使用范圍以及配筋加強措施都有嚴格要求，因此在高層建筑結構設計中，結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，禁止使用超短肢剪力墻，以避免結構設計考慮不周降低結構安全性。

4 鋼筋混凝土高層建筑結構計算與分析

在結構計算與分析階段，首先要準確高效地對結構進行內力計算分析，采用準確無誤的計算結果才能進行下一步的結構設計。現在計算軟件非常成熟和方便，只會用軟件并不能設計出一個好的結構，也不是一名好的結構工程師。

4.1 整體結構計算的軟件

現在市場上結構設計軟件主要有兩種：南方以廣廈為主，北方以PKPM為主。計算理論有的采用有限元計算理論有的采用桿件體系理論計算，而且軟件程序又不是同一批人編的這就出現同一個工程計算結構不盡相同。在進行工程整體結構計算和分析時必須根據每個工程具體特點和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件，高層結構計算建議采用兩種及兩種以上軟件計算。通過對兩種計算結果比較，找出比較符合實際的作為設計依據，這是結構工程師在設計工作中首要的工作也是最為重要的工作。必要時應讓設計經驗豐富的老專家看過沒問題后再繪制施工圖，否則，如果選擇了不準確的計算結果，不但會浪費大量的時間和精力，還有可能使結構有不安全的隱患存在。

4.2 是否需要地震力放大，考慮建筑隔墻等對自振周期的影響

該部分內容實際上在規范中都有提及，而且明確提出了各種結構體系下高層建筑結構計算自振周期折減系數。框架結構0.6～0.7，框架一剪力墻0.7～0.8，剪力墻0.8～0.9，計算時不要用錯。

4.3 振型數目是否足夠

在規范中有一個振型參與系數的概念，并明確提出了該參數的限值。也并不是振型數越多越好，一般為樓層數3倍，太多反而會出現計算異常。因此，在計算分析階段必須對計算結果中該參數的結果進行判斷，并決定是否要調整振型數目的取值。

4.4 多塔結構如何計算

現在大底盤，多塔樓的高層建筑類型大量涌現，特別是下面商業上面做住宅的連體結構大多數都是大底盤連體結構。在計算分析該類型高層建筑時，是將結構作為一個整體并按多塔類型進行計算，還是將結構人為地分開單獨進行計算，計算時總感覺不論是整體計算還是單獨計算都不太準確不是最不利情況對計算結果心里沒底。如果多塔間剛度相差較大，就有可能出現即使振型參與系數滿足要求，但是對某一座塔樓地震力計算誤差仍然有可能較大，從而使結構出現不安全隱患。遇到這種復雜結構建議建兩種模型一種是整體建模按多塔計算，另一種每個單塔分開建模計算，取兩者較大值設計。

5 結語

總而言之，鋼筋混凝土高層建筑結構改善了傳統混凝土高層建筑結構的很多缺點，有效地提高了高層建筑的抗拉能力、抗壓能力和結構強度，因此一個穩定、科學的鋼筋混凝土建筑結構對于整個高層建筑工程的安全性和穩定性有著重要的影響。