鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的常見問題分析

駱繼龍

（浙江振豐建筑設(shè)計有限公司，杭州310000）

1 高層結(jié)構(gòu)分類

高層建筑結(jié)構(gòu)主要是以鋼筋混凝土為主，我國常見的鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)有框架結(jié)構(gòu)體系、剪刀墻結(jié)構(gòu)體系、簡體結(jié)構(gòu)等。

1.1 框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)體系的最大特點是豎向荷載和水平荷載均由梁、柱承擔(dān)，充分發(fā)揮混凝土的抗壓強度和鋼筋的抗拉強度，此種框架結(jié)構(gòu)在多層公共建筑中最常用，一般不用于超高層建筑。框架結(jié)構(gòu)的布置有很多細(xì)節(jié)需要注意，例如，傳力途徑的直接、結(jié)構(gòu)的均衡及結(jié)構(gòu)的美觀等。框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)行布置時傳統(tǒng)多采用主次梁法，近年來逐步向扁梁與無梁樓蓋方向發(fā)展。除此之外，框架柱的設(shè)計是非常重要的一方面，它要承受豎向與橫向應(yīng)力，特別是有抗震要求時要注意柱子的構(gòu)造要求和“強柱弱梁”的概念設(shè)計【1】。

1.2 剪刀墻結(jié)構(gòu)體系

剪刀墻結(jié)構(gòu)體系在高層結(jié)構(gòu)中較為常見，與框架結(jié)構(gòu)體系不同，它是以建筑物墻體作為豎向承重與側(cè)力抵抗的一種體系。一般情況下，剪刀墻間距為2～7m，因此，采用此種結(jié)構(gòu)類型的建筑一般為旅店、住宅等橫墻較密的建筑。剪力墻結(jié)構(gòu)體系施工主要材料依然為鋼筋混凝土。

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系逐漸出現(xiàn)。此種體系將框架與剪力墻的優(yōu)點結(jié)合在一起，既有平面布局的靈活高效性，又有出色的水平、豎直荷載承受能力，在目前的建筑市場此種體系較為流行。

1.3 簡體結(jié)構(gòu)

隨著我國建筑物高度的不斷增加，傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)由于荷載承受強度的限制已經(jīng)無法滿足人們的需要，因而簡體結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，它在抵抗水平力方面具有良好剛度，是由框架-剪力墻結(jié)構(gòu)改進(jìn)而來，常見的有中央鋼筋混凝土核心筒和周邊框架結(jié)構(gòu)的布置方式。

2 鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的常見問題

2.1 設(shè)計師概念創(chuàng)新能力不足

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計離不開結(jié)構(gòu)分析與計算，并利用計算機進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)模型的建立，在此過程中要注意結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，以確保結(jié)構(gòu)計算與實際受力的吻合，這期間涉及概念設(shè)計。概念設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的基礎(chǔ)，是設(shè)計的靈魂所在。但有些設(shè)計師在進(jìn)行概念設(shè)計時只是進(jìn)行生搬硬套，無法根據(jù)工程的實際情況進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，出現(xiàn)的突發(fā)設(shè)計問題也無法及時找到有效方法應(yīng)對。要想改變這種局面，設(shè)計師必須具備謙虛學(xué)習(xí)的態(tài)度，切實提高自己的理論知識，仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)計算軟件的適用范圍和計算結(jié)果，能夠根據(jù)每個具體工程項目建立最合理、最符合實際受力狀態(tài)的計算模型。中國建筑行業(yè)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)計算軟件，國家規(guī)范也不斷更新完善，在這種情況下，建筑從業(yè)人員都應(yīng)不斷學(xué)習(xí)，對計算機相關(guān)軟件深入鉆研，提高操作熟練度，提高設(shè)計水平，保障高層建筑結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟合理、滿足各項建筑功能的使用要求【2】。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計中一些細(xì)節(jié)的處理

高層結(jié)構(gòu)設(shè)計本身難度較大，涉及許多抗震細(xì)節(jié)，必須要對其重視。首先，在中度地震情況下，在設(shè)計時可以加入一小水平剪力墻，這樣能夠在一級剪力墻塑性情況下仍能保持建筑物外形不會發(fā)生嚴(yán)重形變。其次，設(shè)計師還需對連接兩端剪力墻的梁提高重視。因為在地震發(fā)生時連接梁一般會先開裂，連接梁在能量消耗中發(fā)揮了巨大作用，極大地提高了建筑物的延展性。需注意在對連接梁進(jìn)行設(shè)計時，要對其不斷弱化，否則由于連接梁設(shè)計過于強大，在地震發(fā)生時很容易將墻拉伸變形，進(jìn)而給高層建筑帶來安全風(fēng)險。最后要注意梁柱節(jié)點的處理，在相關(guān)施工規(guī)范中已經(jīng)對強柱弱梁進(jìn)行了詳細(xì)解說，但部分設(shè)計師未進(jìn)行認(rèn)真鉆研，在梁頭憑主觀添加了梁端部，這樣反而形成了弱柱強梁的模型，當(dāng)?shù)卣鸬絹頃r，整個結(jié)構(gòu)會由于支撐力不足嚴(yán)重崩潰，造成巨大損失。因此，在梁柱設(shè)計時，設(shè)計師不宜盲目地對梁柱進(jìn)行加強，要在考慮各載荷的情況下進(jìn)行適當(dāng)、科學(xué)的加強。

3 結(jié)構(gòu)選型的問題

3.1 結(jié)構(gòu)規(guī)則性問題

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于結(jié)構(gòu)規(guī)則性所規(guī)范內(nèi)容變化很大，相對于舊的結(jié)構(gòu)規(guī)則性，規(guī)范增加了一些新的條件，例如，平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，除此之外，新規(guī)范還特別指出了施工不能采用嚴(yán)重不規(guī)則設(shè)計方案。因此，結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時要特別注意新規(guī)范中的一些限制條件，以避免后期的修改。

3.2 結(jié)構(gòu)超高問題

在新規(guī)范中對結(jié)構(gòu)高度進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，尤其對結(jié)構(gòu)超高問題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，不僅將原來的限制高度設(shè)定為A 級高度，還增加了B 級高度的建筑。因此，必須對結(jié)構(gòu)超高問題重視，若由于此問題施工圖紙無法通過，則必須立刻進(jìn)行重新設(shè)計，并且開專家會議進(jìn)行論證，保障后期工序的順利進(jìn)行【3】。

3.3 嵌固端的設(shè)置問題

高層建筑一般都有地下室和人防，因此，嵌固端設(shè)置就有2 種選擇，可設(shè)置于地下室頂板，也可置于人防頂板位置。嵌固端的設(shè)置有很多不容忽視的問題，如嵌固端樓板的設(shè)計合理性、嵌固端上下層抗震等級一致性、結(jié)構(gòu)抗震縫的設(shè)置等問題，一旦有其中一個方面出現(xiàn)問題將會對整個建筑的抗震效果產(chǎn)生較大影響，而且也不利于后期修改工作的開展。

3.4 短肢剪力墻相關(guān)問題

墻肢截面高厚比為5～8 的墻定義為短肢剪力墻，經(jīng)過實踐與實驗室數(shù)據(jù)，相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)短肢剪力墻存在一些問題，新規(guī)范也對其使用增加了許多限制條件，因此結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)減少短肢剪力墻的使用，這有助于后期設(shè)計工作的開展【4】。

3.5 材料問題

高層結(jié)構(gòu)施工最主要的材料為鋼筋混凝土，因此，保證其材料質(zhì)量對整個工程有極為重要的意義。首先，進(jìn)行鋼筋混凝土選購時要選擇有生產(chǎn)資格證的大商家；其次，在材料進(jìn)入施工場地前檢驗部門要及時進(jìn)行抽樣檢查，并且抽取的樣本要多且廣；最后，材料在投入施工后也需進(jìn)行抽樣，一旦發(fā)現(xiàn)問題要立刻停止使用。只有保證材料具有良好的抗震、抗傾覆等性能才能保證高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，檢驗部門必須秉承高度負(fù)責(zé)的態(tài)度展開工作，不容馬虎。

4 地基基礎(chǔ)設(shè)計存在的問題

4.1 未考慮沉降因素

許多設(shè)計師在進(jìn)行設(shè)計時往往忽視由于建筑物沉降而引起的附加應(yīng)力影響，特別是在獨立基礎(chǔ)帶梁式的地下室底板設(shè)計中。沉降變形發(fā)生的主要原因是地下室底板與柱下獨立基礎(chǔ)在上部荷載作用下引起，若忽略了附加應(yīng)力，底板就極為不安全，甚至?xí)捎跓o法承載而發(fā)生開裂的情況，尤其是天然地基，影響更加顯著。對于總沉降量不大的工程，可以根據(jù)施工需要與各方面綜合因素，在地下室底板與持力層間進(jìn)行褥墊層處理。除此之外，對于地下水季節(jié)變化很大的地區(qū)，必須要考慮水位對地下室底板產(chǎn)生的影響，求出包絡(luò)圖后再做配筋設(shè)計。

4.2 防水因素

在地下水較為豐富的區(qū)域，室外草坪下的結(jié)構(gòu)部分的外部形狀應(yīng)從簡設(shè)計，這樣可以更好地發(fā)揮出防水的優(yōu)勢。此外，基槽地模型一般是復(fù)雜的，會存在放坡，這些大都是因柱下承臺影響造成的，這些復(fù)雜的地形無疑給防水施工的開展造成了阻礙，不但延誤了施工期限，還提高了工程造價。針對此種情況，可以考慮采取反承臺法，即統(tǒng)一地下室底板和承臺的下皮標(biāo)高相同。這種方法的優(yōu)點是：施工方便，在保障施工質(zhì)量的同時還提高了工程的穩(wěn)定性，縮短了施工時間。并且內(nèi)部覆土質(zhì)量可以有效平衡底板上的水浮力，減少配筋，這種思路非常科學(xué)【5】。

4.3 實際因素

地下室與外墻配筋的理論計算與實際施工往往會存在或多或少的出入，拿地下室配筋計算舉例：一般配筋工程外墻計算時，不管扶壁柱的外規(guī)格如何，一般都是按照外墻雙向板傳遞負(fù)荷來進(jìn)行驗算。這樣就很容易出現(xiàn)外墻豎向受力配筋偏少、扶壁柱配筋不足的情況。不難看出，進(jìn)行計算時必須要有經(jīng)驗與實踐支撐，并且要對環(huán)境進(jìn)行勘探后才能做出較為科學(xué)正確的計算。

5 高層建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化存在一些問題

5.1 變形縫的設(shè)置

變形縫主要涉及沉降縫與伸縮縫2 方面的設(shè)置。沉降縫應(yīng)設(shè)置于建筑物以下幾個部位：地基土的壓縮性存在明顯差異處、平面復(fù)雜折疊處、高度差異處等。

當(dāng)排架結(jié)構(gòu)的柱高低于標(biāo)準(zhǔn)值時要減少伸縮縫的間距。若建筑處于內(nèi)陸地區(qū)，夏季干燥且溫度較高，這樣會使結(jié)構(gòu)常處于高溫的環(huán)境中，施工人員也應(yīng)減少伸縮縫間距，減少量根據(jù)實際施工環(huán)境來確定，這對從業(yè)人員的經(jīng)驗與專業(yè)素養(yǎng)提出了較高的要求。

5.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的相關(guān)優(yōu)化問題

對結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化具有非常重要的作用，一般采取以下措施進(jìn)行優(yōu)化：增加抗彎結(jié)構(gòu)體系的有效寬度，調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。調(diào)整寬度無疑可以增加抵抗力臂，這對提高建筑物穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用。剪力墻暗柱超筋中暗柱的最大配筋率是4%，在施工規(guī)范中給出的剪力墻的主筋配筋面積其實并未到達(dá)最大配筋率，所以，在程序出現(xiàn)警報信息時可以酌情考慮。

6 結(jié)語

總而言之，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計非常重要，建筑師、設(shè)備師、施工管理人員等各方面工作人員需溝通協(xié)調(diào)好，才能確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的順利進(jìn)行。因此，本文主要對鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題進(jìn)行闡述，保證選型的科學(xué)性、細(xì)節(jié)處理的準(zhǔn)確性、抗震的有效性。我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計雖較前幾年有了較大發(fā)展，但與一些西方國家還存在一定差距，這就要求相關(guān)從業(yè)人員不斷實踐，總結(jié)經(jīng)驗，努力創(chuàng)新，改善施工工藝，為我國建筑行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)出自己的一份力量。