淺析高層建筑的結構設計

高山棚++劉春曉

【摘要】隨著我國經濟高速發展，高層建筑已成為城市建設中的重要組成部分，結構設計工作亦是重中之重。本文就某高層建筑結構設計的各個方面進行一些簡單的分析，并加以總結，以供類似工程設計參考。

【關鍵詞】高層建筑；結構設計；設計體會；安全問題

1. 引言

一棟建筑物的結構是否合理設計，這都直接關乎到建筑物的安全、適用、經濟，因為設計一棟建筑物，涉及的專業有建筑，結構，設備等。相對其他專業，結構設計是一項繁重且責任重的工作。但在實際設計工作中，常常發生對建筑結構設計的概念理解和方法運用上的差錯。為了避免或減少類似情況發生，有必要對這些差錯進行深入思考并進行小結。

2. 工程概況

某高層建筑其建筑面積38650m2，其中地上部分28578m2，地下部分9872m2。本工程地面以下平面形狀為長方形，有2層。本工程地面以上13層，高度為60.2m，1～3層為餐廳和機房，4層以上為辦公室。

3. 工程地質情況

本建筑所在場地地形平坦，表層為人工填土，其下為一般第四紀沖洪積沉積土層，土層在水平與垂直方向分布比較穩定。本建筑基底置于層粉質黏土，建筑抗震設防重要性分類為丙類，建筑結構安全等級為二級，抗震設防烈度為8度，Ⅲ類場地土，基本風壓0.45kN/m2。

4. 結構設計

4.1結構主體設計。

（1）本建筑主體結構采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系，剪力墻抗震等級一級，框架抗震等級二級。結合建筑使用功能，作為主要抗側力構件的剪力墻布置在建筑中部，并形成筒體，筒體周圍設框架柱。因受層高及使用功能的限制，地上部分樓層主次梁均沿Y向布置，以便減小主梁高度，增加使用凈高，標準層樓板厚110mm。本工程結構嵌固端位于地下室頂板，考慮其承受并傳遞由地震作用產生的水平力，故其板厚為180mm，板配筋雙層雙向滿布。主要豎向構件截面變化見表1，混凝土強度等級見表2。

（2）本建筑結構采用中國建筑科學研究院編制的多層及高層建筑結構三維分析與設計軟件 SATWE（墻元模型）和建研科技股份有限公司編制的多層及高層建筑三維空間分析軟件系統TBSA進行分析計算，計算結果比較合理并符合現行規范要求，有關結構位移和地震力等電算結果見表3～5。

4.2基礎設計。 本工程根據地質情況通過對地基承載力的計算，決定采用梁板式筏形基礎。Y 向基礎梁尺寸為1800×2000，1000×2000，X向基礎梁尺寸為900×1800。因筒體內電梯基坑及集水井局部下降的影響，主梁不能正常貫通，并且筒體部位豎向荷載較大，故筒體部位四周2m范圍內板厚1.5m，其余部位板厚1.0m。基礎計算采用建研院編制的彈性地基梁板基礎軟件計算。因本建筑主體偏向地下室平面右側，為減小高低層間基礎差異沉降對上部結構帶來的危害，在純地下室與主樓相交部位設置沉降后澆帶，后澆帶在主樓結構封頂后澆筑，同時在設計中加大后澆帶所在跨板的配筋，以抵抗結構后期的不均勻沉降。

5. 局部設計的幾點考慮

5.1本建筑的外框架與內筒間距較大，為14.5m，框架梁端在內筒處負彎矩較大，按常規做法此梁在筒內宜貫通，以平衡梁端的負彎矩，但建筑設在筒內的樓電梯間以及通風和水專業的管道井均使框架梁不能正常貫通，這樣在筒體剪力墻上產生較大的平面外彎矩，為此采取以下措施：

（1）加大設于筒體墻內樓層處暗梁截面及配筋，形成加強環梁，通過此環梁，將作用于X向墻體上的平面外彎矩分別傳遞到Y向各墻上；

（2）與框架梁相交的墻體節點處均設置暗柱，并通過計算配置暗柱內的縱筋和箍筋；

（3）因剪力墻厚450mm，增加梁端凸出部分，以便提高梁端在抗震時的錨固。

5.2為減小框架梁的荷載以便減小梁的截面高度，本建筑的次梁均沿Y向布置，這樣就加大了次梁的跨度，為控制次梁的撓度和裂縫，在結構布置時盡量將次梁在筒體內貫通，形成三跨連續梁，并通過計算配置梁下部縱筋，滿足正常使用的要求。

5.3在設計計算過程中發現，X向軸，軸向與剪力墻相交的框架梁，因在同一平面內的剪力墻剛度相對很大，在地震力作用下，與剪力墻相交部位的梁端配筋均超筋，為解決此問題，設計中采取兩條途徑分別計算：

（1）在不考慮地震作用時，梁與剪力墻相交處按固結考慮，計算后按結果配置梁端負筋；

（2）在考慮地震作用時，在滿足規范允許的層間位移角限值的情況下，假設梁與剪力墻相交處出現塑性鉸，計算后按結果配置梁跨中正筋。這樣既能滿足正常使用時的強度要求，又能保證地震作用下的安全。

6. 設計體會

（1）按規范要求，框架剪力墻結構的筒體宜設邊框梁與邊框柱，框架梁在筒內宜貫通，以便加強整體剛度，承受平面外彎矩。本建筑由于方案是香港的建筑事務所設計，港方堅持不設邊框梁與邊框柱和框架梁在筒體內不貫通的方案。為保證結構安全，特別是在地震作用下，建筑結構具備必要的抗震承載能力，良好的變形能力，對可能出現的薄弱部位，在設計中采取了一些有利的措施，從而彌補了方案的缺陷。

（2）本建筑的次梁均沿Y向布置，且梁高受到限制，經計算，為達到規范要求的撓度和裂縫要求，須配置一定數量的縱筋，以便提高梁的剛度，這樣做不僅增加造價，而且要求梁上不宜再有較大的集中荷載。所以在今后的設計中，若樓層允許的情況下，用橫向框架方案，次梁沿X向布置綜合考慮更合適。

（3）主體結構應盡量位于地下室平面的中部，使質心與形心盡量重合。

7. 建筑結構設計的安全問題

（1）關于建筑安全事故是否與結構設計有必然聯系，一直是建筑設計界所高度重視的問題。在實際設計中，盲目加大構件截面，增加用鋼量成為一種常見的設計方法，造成了不必要的浪費。我國很多鋼筋混凝土高層建筑的用鋼量，已超過國外同等高度鋼結構用鋼量。盡管我國設計規范所設定的安全貯備較低，但某些工程的材料用量反而高于國外同類工程。從歷史事實來看，自上世紀50 年代至今，我國使用的結構設計方法一直沒有很大的改變，而50 年代所用的混凝土強度很低，其施工手段也很落后，混凝土用體積配合比，人工攪拌，沒有振搗器，而施工發生安全事故的卻很少。在以前很多大樓等建筑物，使用至今已逾45 年，而且都經過了唐山地震影響的考驗。這些事實足以證明，建筑安全事故與結構設計安全度是沒有連帶關系的。

（2）當然，通過對比，我們可以發現，現代的建筑形式已經發生了顯著的改變，在更加先進的設計分析手段到施工技術幫助下，在追求以人為本的理念的指導下，相比幾十年前，現在的建筑平面和建筑體型更加趨向復雜化，各種超限建筑，不符合傳統概念的結構形式也層出不窮，作為一名普通的結構設計人員，應對這些情況，在沒有把握的情況下，加大一些截面和配筋，雖情有可原，但仔細分析后往往效果不佳甚至適得其反。

（3）因此，比起之前任何時候，我們都應當更加強調和重視概念設計，結合對計算結果的仔細分析論證，找出結構體系中的薄弱點，與其它相關專業密切配合，“上醫醫未病之病”，把安全隱患消除在萌芽階段，比起時候采取各種措施補救，往往效果更好。 （4）本工程方案階段，建筑曾經考慮采用核心筒偏置于房屋的一角的方案，如果這樣做，為了平面的剛度平衡，勢必在房屋的另一端要布置較多的剪力墻，既影響使用又增加造價，而且整體扭轉效應也比較明顯，經過初步分析和討論，最終決定將筒體移至房屋中部，不但減少了剪力墻，整體剛度也控制在一個比較合理的范圍內，計算配筋也有所下降。收到了比較好的效果。

8. 結語：

隨著人們生活的越來越好和城市化現象的突出，城市建筑越來越高，而高層建筑由于其對結構剛度等各方面要求都很高，所以其設計比一般建筑要復雜。本文以某地區的某高層建筑為例，對高層建筑結構的設計以及出現的問題進行了分析，并給出相應的解決方案，以便相關設計人士提供參考依據。