談高層建筑結構設計

吳昊

摘要：目前，伴隨著高層建筑在我國的飛速發展需求，建筑高度的日益增加，建筑類型以及功能也日新月異，難度相對而言逐漸變大。結構體系各式各樣，高層建筑結構設計現在主要成為結構相關工程設計人員在設計工作重點和難點。下文主要針對高層建筑結構設計中經常會出現的一些問題進行分析，總結了設計經驗，以達到保證建筑的安全、延長其使用壽命的目的以及以后相關人員參考學習。

關鍵詞：基礎埋深;底部嵌固層;高寬比;不規則性;偏心距;開洞;梁高度

一、基礎埋深問題

基礎應該要有一定的埋深，埋置深度可以從室外地坪一直算到基礎底面，對于獨立的高層建筑而言，基礎埋深比較容易確定，但當今多數高層建筑與地下車庫都是相互連接的，當地下車庫基礎采用筏板基礎或設有防水底板的獨立基礎（防水底板不宜太薄）時，高層建筑的基礎埋深可從室外地坪算起，此時高層建筑地下室頂板及地下車庫頂板應按嵌固層要求設計，地下車庫應有足夠的側向剛度作為高層建筑的側限。假如不滿足以上條件的時候，高層建筑的基礎埋深應該要從地下車庫地面算起。高層建筑通常設地下室來滿足埋深要求，主要有以下幾點優勢：

1.提高地基承載力。當高層建筑采用天然地基時，地基承載力可進行修正.隨著基礎埋深的增加，修正后的地基承載力隨之增大，從而可滿足高層建筑對地基承載力的要求。

2.有利于高層建筑上部結構的整體穩定。高層建筑地下室外墻一般采用鋼筋鹼墻，地下室頂板厚不宜小于160mm，地下室具有較大的層間剛度，同時地下室外墻周邊土也提供了很大的側向剛度和約束。因此設地下室有利于上部結構的整體穩定，有利于協調結構整體變形，調整地基不均與沉降。

二、地下室頂板作為結構底部嵌固層的條件

當地下室頂板作為結構底部嵌固層的時候，應該要能約束結構底部的平動和轉動，故必須要滿足下列條件：

1.地下室頂板與室外高差不宜過大，宜小于1/3層高。

2.地下室的樓層剪切剛度不小于相鄰上部結構樓層剪切剛度的2倍。這里需指出的是，高規4.8.5條規定，抗震設計的高層建筑當地下室頂板作為上部結構的嵌固層時，地下室柱截面每側的縱向鋼筋面積除應符合計算要求外，不應少于地上一層對應柱每側縱向鋼筋面積的1.1倍。

三、房屋高寬比

房屋高度指室外地面至主樓主要屋面的高度。房屋寬度按所考慮方向的最小投影寬度作為建筑物的計算寬度。

對帶裙房的高層建筑，當裙房面積與其上塔樓面積比大于2.5或裙房抗側剛度與其上塔樓抗側剛度比大于2.0時，可取裙房以上部分的房屋高度和寬度計算高寬比。

四、建筑結構不規則性界定

建筑結構不規則性除應按高規4.3與4.4節的相關規定界定外，還需注意以下問題：

1.計算結構構件的最大位移比時應按剛性樓板假定。

2.當結構的位移比和周期比超規范規定時，說明結構的抗扭剛度相對結構的抗側剛度偏小，結構的扭轉效應較大。在結構抗側剛度較大，結構的層間位移滿足要求的情況下，可減小結構的抗側剛度，對樓層中部結構做減法，可取消、減短、減薄剪力墻，減小連梁高度等。當結構的抗側剛度較小，側移較大時，可對樓層周邊結構做加法，可增大周邊構件的剛度。對帶裙房高層建筑，帶裙房部分樓層的位移比和周期比往往超規范規定。由于裙房高度不高，裙房樓層的絕對側移值很小，因此可不按高層建筑的側移控制條件來要求裙房，即位移比可適當放寬。

3.對某些建筑，因功能需要，下部幾層為大空間，上部為辦公或客房，隔墻較多，上下層剛度差別較大，此時剛度變化處的下一層宜指定為薄弱層，進行內力放大調整。

五、框架結構梁柱偏心距較大應采取的措施

框架結構梁柱偏心較大時，將導致節點核心區受剪面積減小，且梁端彎矩作用在節點上時出現扭矩。因此當梁柱偏心距大于柱截面在該方向寬度的1/4時，應采取措施。通常可加大梁寬或設置梁水平腋。當設置梁水平腋時，在梁柱節點處形成了較強的剛域，梁塑性鉸將外移。因此梁端箍筋加密區長度應與普通框架梁有所區別，水平加腋梁的梁端箍筋加密區長度應取普通框架梁箍筋加密區長度與加腋水平長度之和。

六、較長剪力墻的開洞問題

高規7.1.5條規定：“較長的剪力墻宜開設洞口，將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁連接，每個獨立墻段的總高度與其截面高度之比不應小于2，墻肢截面高度不宜大于8m。”此條規定主要基于以下考慮：

1.提高剪力墻的延性，避免脆性破壞。墻段高寬比大于2時一般為彎曲破壞，墻段高寬比小于2時一般為剪切破壞。

2.避免單片剪力墻承擔過大的水平剪力而首先破壞，使得整個結構抗側力構件依次破壞。在某些工程設計中，設計人員往往將較長的剪力墻開結構洞，洞口較小，形不成弱連梁，此時的剪力墻為小開口剪力墻，仍具有很大的側向剛度，承擔的水平力很大，造成剪切脆性破壞。因此開結構洞時一定要開大洞，形成弱連梁，連梁跨高比宜大于6使得較長剪力墻開洞后形成兩個較獨立的墻肢。

七、懸挑梁的梁高度選用問題

現在，基本上建筑結構設計師會經常忽略對梁撓度的計算。梁高選用比較小，造成梁截面的受壓區的應力過高，在正常的使用狀態之下，梁截面的受壓區產生非線性徐變。伴隨著時間的推移，梁撓度漸漸加大。挑梁的變形導致了梁板裂縫，由于挑梁變形的不斷擴大，裂縫的寬度也隨之加寬，這樣就直接影響了建筑物的正常使用情況。即挑梁變形進一步發展，梁支座截面上部受拉區經常會出現跨比較大的豎向裂縫。受支座附近的剪彎作用影響，豎向的裂縫不斷向下延伸成為斜裂縫，這個時候梁已經接近毀壞。裂縫在梁支的座位置斜向延伸，縫越靠上寬度越大。挑梁截面過于窄小對建筑結構的抗震效果影響很大。懸挑結構對非水平地震的作用極為敏感。當梁高相對而言較小時，梁截面對應的受壓區高度也是比較大的，但梁的延性是比較小的，在豎向地震作用力之下容易產生斷裂，從而失去了原有的承載力。

結語

在今后的工作中，建筑結構設計人員需要重新認識自己工作的重要性，明確自己的責任，提高對結構設計質量安全問題的辨別能力，積累結構設計的工作經驗，使建筑結構設計工作行業逐步步入正軌，使建筑物的設計更安全、更合理。

參考文獻

[1]李國勝，多高層鋼筋混凝土結構設計中疑難問題的處理及算例，中國建筑工業出版社，2004