高層（或超高層）的民用建筑結構設計中概念設計與結構措施的應用

文/王小軍 深圳市華陽國際工程設計股份有限公司長沙分公司 湖南長沙 410000

如今，民用建筑正向高層和超高層方向發展，在這種局勢下，對結構設計提出了更高要求，為保證結構設計的合理性，需要在實際的設計工作中采用概念設計及結構措施，這是滿足實際要求的重要手段，也是適應建筑發展基本要求。

1、高層（或超高層）的民用建筑結構設計中概念設計的應用

1.1 平面與立體

平面形狀應盡可能簡單和規則，不可采用太多外凸與內凹，避免地震發生時造成太大災害。結構應做到對稱，如果平面剛度沒有做到對稱，將在地震發生后造成扭轉破壞。豎向布置應達到均勻，在立面設計過程中需要充分考慮對稱性。無論建筑采用何種平面形式，其抗力結構都是按照使平面中心處在結構剛度中心基本原則進行布置的。剛度與承載力均在平面當中均勻布置，防止突變與應力集中，以此避免子結構產生倒塌與破壞，促使地震作用可以在不同的子結構之間進行重分布，發揮應有作用。但在實際情況中，質量的分布無法做到絕對意義上的均勻，所以難免產生扭轉，對此，不僅要保證平面對稱性，而且還要采用抗力構件增強結構整體抗扭水平。通過研究發現，將立柱布置在平面周圍，相較于對立柱進行均勻分布，可以提高結構整體抗扭水平。基于此，對抗力構件進行布置時，應按照以上基本原則。對結構破壞過程與機制進行深入分析，據此加強容易產生破壞的薄弱部位[1]。

1.2 電梯間布置

建筑中，電梯間對樓板有一定削弱作用，此時在設計過程中需要防止在開洞以后把建筑分成兩個區段，當建筑采用純框架結構時，電梯井應避免使用鋼混井筒，而對于框架與框剪結構，需要注意框架不可設計剪力墻，而抗剪中剪力墻數量應切實滿足相關要求。另外，在高層結構中，應減少錯層，針對由于局部不采用梁板產生的聯層柱，需要對其高度進行嚴格控制。防震縫和建筑之間也有十分緊密的關系，表現在對建筑整體立面效果有直接影響方面，對此不可采用分、連比較模糊的方案。

1.3 抗震與抗風設計

對于高層建筑，尤其是超高層建筑，不僅要承受垂直方向的荷載，還要承受一定地震與風荷載持續作用。抗側力剛度沿建筑高度方向不斷變化，在這種情況下，多層間將產生薄弱層，這是在設計過程中應引起高度重視的。實際工作中，建筑設計需要和結構設計緊密配合，以此減小或避免剛度偏心距發生的變化[2]。

1.4 延性設計

受中等地震作用后，部分構件將進入到彈塑性狀態，而受到大震作用后，結構應能不倒塌。基于此，概念設計過程中，應高度重視并做好延性設計，對于延性和整體性，都需要采用構造措施來控制與保證。所謂延性，指的是構件與結構達到屈服狀態后，使承載力保持不變，并且有一定塑性變形性能的能力，通常采用延性比來表示。通過塑性變形，能消耗一定地震能量，很多抗震結構都是利用這一特點來消除地震能量。延性設計過程中，需要嚴格遵循強柱弱梁與強剪弱彎等基本原則，此外也可通過對不同構件自身延性的增強來保證整體延性。針對框剪與純剪結構，不同段中剪力墻的高度和寬度之比應達到2以上，以此確保在受到地震作用后發生彎剪破壞和塑性區服，從而充分發揮抗震性能。設計中也可采用圖1、2的方式提高建筑延性。

圖1 大底盤建筑

另外，可采取以下方法保證梁的延性：（1）在梁上配置一定數量的受壓鋼筋；（2）做好梁斷面的合理選取；（3）優先考慮現澆結構，并采用強度等級較高的混凝土，以及中低強度等級的鋼筋，最后對梁的箍筋進行加密。可采取以下方法保證柱的延性：（1）對柱軸壓比進行嚴格控制；（2）優先考慮剪跨比相對較大的結構柱，并且在設計過程中應減少或不采用短柱；（3）對柱的箍筋進行加密，可使用復合式的箍筋；（4）采用強度等級更高的混凝土，并在雙向進行縱向配筋。

圖2 框托墻結構體系

1.5 三縫設計

三縫即防震縫、伸縮縫與沉降縫，對于高層或超高層的建筑，為了避免結構由于溫度或混凝土發生干縮產生開裂，需要按照一定間隔距離布置伸縮縫；如果結構在平面比較狹長，且立面上有明顯變化，則需要采用沉降縫；當建筑對抗震設防有很高要求時，需要采用防震縫。采用以上三縫，能使結構保持規則，減小沉降和溫度帶來的不利影響[3]。

2、高層（或超高層）的民用建筑結構設計中結構措施的應用

（1）梁截面尺寸需要滿足以下要求：寬度應達到200mm以上，高度和寬度之比應控制在4以內，凈跨和高度之比應達到4以上。

（2）當采用梁寬比柱寬略大的梁時，應采用現澆樓板，梁上的小線需要和柱的中線完全重合，同時應采用雙向布置的方法，但不能在一級框架中使用。

（3）對于梁的配筋，需要滿足以下要求：縱向受拉鋼筋實際配置率控制在2.5%以內，底、頂面縱筋配置數量之比，通過計算確定，當為一級結構時，不能超過0.5，當為二級結構和三級結構時，應達到0.3以上。

（4）梁體縱筋配置需要滿足以下要求：在梁的全長方向上進行配筋；對于一級和二級框架結構，從中柱貫通的所有縱筋，其直徑應控制在這一方向上截面尺寸5%以內。

（5）對于在梁端加密區設置的箍筋，在一級結構中，肢距應控制在200mm以內，在二級和三級結構當中，肢距應控制在250mm以內，在四級結構當中，肢距應控制在350mm以內。

（6）構造柱截面尺寸需要滿足以下要求：高度與寬度都應處在300mm以內；直徑應達到350mm以上。

（7）構造柱配筋需要滿足以下要求：每側配筋率都應達到0.2%以上，當建筑所在場地類別較高時，需要在現有基礎上增加0.1。在二級結構中，箍筋直徑應達到10mm以上，在三級結構中，當截面尺寸在400mm以內時，箍筋直徑不能小于6mm；在四級結構中，當剪跨比在2以內時，箍筋的直徑應達到8mm以上[4]。

結語：

綜上所述，通過對概念設計和結構措施的合理應用，能從根本上保證建筑結構整體質量，在滿足使用功能要求的基礎上，使結構更加經濟合理、安全可靠，從而適應現階段高層及超高層建筑建設要求。