高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

劉凱 蔣炳禮 郭彬彬

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，社會(huì)隨之不斷進(jìn)步，我國(guó)建筑行業(yè)也越來(lái)越發(fā)達(dá)，高層建筑物異軍突起，已經(jīng)成為一個(gè)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況的重要標(biāo)志物。高層的建筑物已經(jīng)成為反映這所城市的繁榮度有多高和社會(huì)的進(jìn)步作為標(biāo)志。

關(guān)鍵詞：高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)建筑業(yè)發(fā)展迅猛，建筑的功能不斷完善，工程設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜，鋼筋混凝土是在民用建筑中得到廣泛應(yīng)用和空前發(fā)展的結(jié)構(gòu)材料。我國(guó)已經(jīng)基本形成了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范體系，但在設(shè)計(jì)方面仍存在一定的空缺和問(wèn)題。

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜剛度。隨著高度的增加，高層建筑的側(cè)向位移迅速增大。因此設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)不經(jīng)要求結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，而且要求結(jié)構(gòu)有適宜的剛度，使結(jié)構(gòu)有合理的自振頻率等動(dòng)力特性，并使水平力作用下的層位移控制在一定范圍之內(nèi)。

結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的延性。相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。建筑結(jié)構(gòu)的耐震主要取決于結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力兩個(gè)因素。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免高層建筑在大震下倒塌，必須在滿足必要強(qiáng)度的前提下，通過(guò)優(yōu)良的概念設(shè)計(jì)和合理的構(gòu)造措施，來(lái)提高整個(gè)結(jié)構(gòu)、特別是薄弱層（部位）的變形能力，來(lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮這些因素，合理設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、適宜的剛度、良好的延性。

側(cè)向力（風(fēng)或水平地震作用）成為影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形及建筑物土建造價(jià)的主要因素。高層建筑和低層建筑一樣，承受自重、活載、雪載等垂直荷載和風(fēng)、地震等水平力。在低層結(jié)構(gòu)中，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，可以忽略不計(jì)；在多層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的效應(yīng)（內(nèi)力和位移）逐漸增大；在高層建筑中，水平荷載和地震力將成為主要的控制因素。

3 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

（1）建筑結(jié)構(gòu)的功能要求建筑結(jié)構(gòu)在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和正常維修條件下的功能要求，有下列三個(gè)：①安全性。建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)能夠承受可能出現(xiàn)的各種作用。②適用性。建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)能滿足預(yù)定的使用要求，有良好的工作性能，其變形、裂縫或振動(dòng)等性能均不超過(guò)規(guī)定的限度等。③耐久性。建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)有足夠的耐久性。

（2）結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。但是當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的使用年限到達(dá)或超過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)使用期后，并不意味該結(jié)構(gòu)立即報(bào)廢不能使用了，而是說(shuō)它的可靠性水平從此要逐漸降低了，在做結(jié)構(gòu)鑒定及必要加固后，仍可繼續(xù)使用。結(jié)構(gòu)可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率，即結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。結(jié)構(gòu)可靠度的分析就是要合理地確定結(jié)構(gòu)的可靠度水平，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用和確保質(zhì)量的要求。

4 地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

“萬(wàn)丈高樓平地起”，地基的好壞將決定一個(gè)工程的最終質(zhì)量，因此，在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是工程的關(guān)鍵。由于上部荷載的巨大差異，設(shè)計(jì)滿足要求的高層建筑主體結(jié)構(gòu)本身筒體與周邊結(jié)構(gòu)之間的沉降差和高層主體與裙房或者純地下結(jié)構(gòu)之間的沉降差對(duì)地基方案的選擇起著決定性的作用，因此，高層建筑設(shè)計(jì)主要要把握沉降設(shè)計(jì)。

一種方案是設(shè)計(jì)沉降縫。為避免不均勻沉降對(duì)建筑物帶來(lái)的災(zāi)害，對(duì)于長(zhǎng)度較大的建筑物，在建筑平面的轉(zhuǎn)折部位、建筑物高度差異處以及長(zhǎng)高比過(guò)大的砌體承重結(jié)構(gòu)、地基土壓縮性存在明顯差異處設(shè)置沉降縫，沉降縫能夠?qū)⒔ㄖ锓指畛瑟?dú)立的單元，從而實(shí)現(xiàn)使各單元產(chǎn)生的沉降互不影響，因此也就避免了不均勻沉降對(duì)建筑物帶來(lái)的災(zāi)害。另一種方案是地基基礎(chǔ)處理。在建筑縱橫墻體相交處，存在著基礎(chǔ)面積重疊現(xiàn)象。從而造成地基受力面積重復(fù)，地基應(yīng)力加大。因此，必須調(diào)整某局部基礎(chǔ)寬度以滿足地基承載力的要求。具體做法：一是當(dāng)基礎(chǔ)底面壓力設(shè)計(jì)值超過(guò)地基承載力設(shè)計(jì)值不足10%時(shí)，可采用提高上部結(jié)構(gòu)抵抗不均勻沉降能力的措施。二是當(dāng)基礎(chǔ)底面壓力設(shè)計(jì)值超過(guò)地基承載力設(shè)計(jì)值10%及以上或建筑已出現(xiàn)不容許的沉降和裂縫時(shí)，可采取放大基礎(chǔ)底面積、加固地基或減少荷載的措施。

5 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑應(yīng)有較好的空間工作性能，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中若框剪結(jié)構(gòu)剪力墻布置不均勻，單肢剛度過(guò)大的剪力墻經(jīng)常出現(xiàn)，從而導(dǎo)致應(yīng)力的過(guò)度集中，造成剪力墻的部分破壞。因此，我們應(yīng)該通過(guò)設(shè)計(jì)有選擇地連接兩片剪力墻，從而保持建筑物延性的連梁破壞，從而使柱子的完整性得以保證，這就是我們說(shuō)的延性設(shè)計(jì)和連梁設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)是一方面為加強(qiáng)塑性鉸區(qū)的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，及防止混凝土壓潰前受壓鋼筋過(guò)早壓屈，我們應(yīng)在在梁的兩端設(shè)置箍筋加密區(qū)。同時(shí)，為防止粘結(jié)破壞，可以在設(shè)計(jì)中采取措施使塑性鉸外移，將塑性鉸從柱面移開(kāi)一定距離，從而避免梁端鋼筋屈服后向核心區(qū)發(fā)展。另一方面，可以設(shè)置底部加強(qiáng)區(qū)，設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，從而使截面的塑性變形能力增大。主要包括沿墻肢截面的長(zhǎng)度和墻肢的高度，箍筋數(shù)量，水平分布筋在約束邊緣構(gòu)件內(nèi)的錨固以及確保一定的縱筋面積的設(shè)計(jì)，從而符合約束邊緣構(gòu)件的構(gòu)造要求。另外，剪力墻的抗側(cè)剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結(jié)構(gòu)重量，增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間，墻不宜布置太密，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度。

5.2 柱的設(shè)計(jì)

地震作用下，框架短柱剛度大，吸收較大的地震力，極易產(chǎn)生剪切破壞而形成結(jié)構(gòu)抗震薄弱部位。因此，在框架結(jié)構(gòu)的雙跑板式樓梯設(shè)計(jì)時(shí)，為避免“框架短柱”的形成，應(yīng)采取下列措施：一是采用復(fù)合箍筋沿柱全高加密的方式處理，同時(shí)保證短柱的縱向鋼筋對(duì)稱布置，且每側(cè)的縱向鋼筋配筋率不宜大于1.2%。二是通過(guò)提高構(gòu)件受剪承載力和受壓承載力的方法來(lái)改善短柱的抗震性能，主要措施有在柱中配置螺旋箍筋、普通復(fù)合箍筋，加強(qiáng)對(duì)混凝土的約束，使混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高，從而防止構(gòu)件在大剪壓比情況下發(fā)生剪切破壞。

5.3 梁的設(shè)計(jì)

由于地震作用、風(fēng)荷載等水平力的作用，往往使得框架粱的梁端負(fù)彎距遠(yuǎn)大過(guò)跨中正彎距。因此，為了避免框架粱負(fù)筋過(guò)多過(guò)密，在設(shè)計(jì)中我們往往都應(yīng)將框架粱的負(fù)彎距乘以一個(gè)0.85左右的調(diào)幅系數(shù)進(jìn)行調(diào)幅，減少粱端負(fù)彎跑，并使跨中正彎距相應(yīng)增加，做到粱的上下配筋均勻一致。同時(shí)，當(dāng)不計(jì)算活荷載或不計(jì)算活荷載不利布置時(shí)，可通過(guò)此參數(shù)調(diào)整梁在恒活荷載作用下跨中正彎矩，一般取1.1～1.2，在選用時(shí)應(yīng)注意：如果活荷載考慮不利布置時(shí)此系數(shù)取1.0。另外，當(dāng)梁底距外窗頂尺寸較小時(shí)，宜加大梁高做至窗頂，使外部框架梁盡量做成梁外皮與柱外皮齊平。當(dāng)建筑有要求時(shí)，梁也可偏出柱邊一較小尺寸。梁與柱的偏心可大于1/4柱寬，并宜小于1/3柱寬。同時(shí)，折梁陰角在下時(shí)縱筋應(yīng)斷開(kāi)，并錨入受壓區(qū)內(nèi)La，還應(yīng)加附加箍筋。

6 結(jié)束語(yǔ)

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中占據(jù)全面的工作，要建設(shè)扎實(shí)的理論知識(shí)、創(chuàng)新的思路和認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度。每一個(gè)設(shè)計(jì)工作人員要從基本的結(jié)構(gòu)抓起，做到知其所以然，并學(xué)習(xí)其他的專業(yè)人士的工作經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

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