高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題及解決措施

韓軼多

（太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030002）

0 引言

隨著建設(shè)不斷加快，耕地面積不斷減少，在當(dāng)前的城市建筑結(jié)構(gòu)類型中，高層建筑已經(jīng)成為主流，占據(jù)著絕大多數(shù)的比例。在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中存在著很多的問題，如果不加以重視，這些問題就會影響到建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，并最終影響建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)質(zhì)量。因此這些問題必須在設(shè)計(jì)階段妥善解決，采取有針對性的措施來保障高層建筑結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。想要做好高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，就需要對圖紙進(jìn)行認(rèn)真分析，了解設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，理會設(shè)計(jì)的意圖，并結(jié)合建筑物的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)的變形點(diǎn)進(jìn)行分析，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。只有不斷加強(qiáng)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累，掌握相關(guān)的技巧，才能夠?yàn)榻鉀Q更多高層建筑結(jié)構(gòu)中存在的問題打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，如圖1所示。

圖1 城市化

1 高層建筑物的設(shè)計(jì)

從整體上來講，高層建筑的設(shè)計(jì)包含結(jié)構(gòu)變形、荷載以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)假定幾個(gè)方面，需要從不同的角度進(jìn)行分析。

1.1 荷載因素

在高層建筑物設(shè)計(jì)中，需要調(diào)整建筑物自身進(jìn)行控制與自重調(diào)整，因此會影響豎向結(jié)構(gòu)中的彎矩和軸力，這些因素與建筑物的高度成正比。在設(shè)計(jì)中實(shí)際應(yīng)當(dāng)綜合考慮建筑物與地基的控制互相調(diào)節(jié)，再從地震作用、結(jié)構(gòu)動力和風(fēng)荷載等荷載角度對建筑進(jìn)行控制，這樣才能真正將荷載與實(shí)際相對應(yīng)，在貫徹與實(shí)施中找到水平荷載的提升因素。

1.2 結(jié)構(gòu)的變形

建筑的自重會對豎向構(gòu)件形成荷載，然后對不同方位的應(yīng)力環(huán)節(jié)都造成壓縮的情況。不同的受力點(diǎn)受力情況與力度均不同，因此產(chǎn)生的壓縮變形也不同。建筑豎向結(jié)構(gòu)中的鋼筋由于受到不同方向的壓力也會結(jié)合地基的相關(guān)受力情況造成一定的樓體、樓面結(jié)構(gòu)的變形。如果建筑存在施工縫，或者有裙樓，那么接縫的部位也可能在不同外力的作用下，產(chǎn)生不均勻沉降的現(xiàn)象。在這些外力因素的作用下，如果還存在水平荷載的作用，還會使結(jié)構(gòu)的定點(diǎn)與高層建筑的總高度之間產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的影響，發(fā)生位移。在設(shè)計(jì)圖紙上，只有將內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)的外力都呈現(xiàn)出來，才能夠更好地控制側(cè)向位移的發(fā)生。

1.3 建筑結(jié)構(gòu)的假定

在結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件的作用下，建筑物形成一個(gè)完整的空間結(jié)構(gòu)。對這個(gè)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維分析是比較困難的，因?yàn)閳D紙與實(shí)際情況有一定的差距，因此在對框架結(jié)構(gòu)、剪力墻等結(jié)構(gòu)的相關(guān)控制與研究中可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基本假定，也就是彈性假定、小變形假定和剛性樓板假定。彈性假定就是把垂直的荷載與實(shí)際工作數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，提出彌補(bǔ)出現(xiàn)裂縫的彈塑性辦法，并對內(nèi)力與高層建筑位移的關(guān)系進(jìn)行調(diào)控，提高建筑物的抗震防風(fēng)能力。小變形假定指的是將圖紙上的幾何非線性表現(xiàn)出來，看頂點(diǎn)位移與建筑高度之間的關(guān)系，體現(xiàn)對比數(shù)據(jù)并進(jìn)行調(diào)整。剛性樓板時(shí)將樓板的硬性指標(biāo)呈現(xiàn)出來，使結(jié)構(gòu)位移與相應(yīng)的樓板承載能力進(jìn)行結(jié)合，利用樓板的固定性，使設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合，保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固提升。

2 常見的高層建筑設(shè)計(jì)中的問題

2.1 高層結(jié)構(gòu)中砌體挑梁開裂

不同的高層建筑采用的結(jié)構(gòu)形式也不同，對于一些靠街道的旅館或者辦公樓、餐廳，需要較大的空間，因此結(jié)構(gòu)類型通常都是底框架剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式的建筑上部多采用砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行修剪，底層采用的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。這種類型的建筑能夠?qū)⒖臻g劃分為很多個(gè)小空間，這些空間的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較大。不過實(shí)際使用中，一些高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人員為了追求立面效果，在對內(nèi)部空間進(jìn)行劃分時(shí)過度劃分，導(dǎo)致外部的挑墻懸掛在挑梁上，造成挑梁壓力過大，尤其是底層的挑梁，在壓力作用下出現(xiàn)裂縫，影響整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與質(zhì)量。

2.2 樓板計(jì)算變形

一些高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，缺乏相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與布置，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用樓板變形的方式進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算在力學(xué)模型中無法有效計(jì)算樓板的變形數(shù)據(jù)，結(jié)果也不準(zhǔn)確，因此無法有效保證結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性，使高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在安全隱患，從而嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低建筑物的使用功能。

2.3 縱向框梁的設(shè)計(jì)

高層建筑的高度較高，且規(guī)模也較大，因此抗震設(shè)計(jì)的要求非常嚴(yán)格。通常在設(shè)計(jì)中為了提高建筑物的抗震性能，需要從兩個(gè)主軸方向入手分別進(jìn)行計(jì)算，這兩個(gè)主軸代表的是框架的橫向和縱向結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都有著非常重要的作用。當(dāng)前很多設(shè)計(jì)人員都對縱向框架的設(shè)計(jì)不夠重視，只是對橫向框架進(jìn)行鏈接和設(shè)計(jì)，忽視縱向框架的連接和設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)無法保證框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。還有一些設(shè)計(jì)人員對于框架結(jié)構(gòu)的地震縱向力考慮不全面，因此忽略對縱向框架的合理設(shè)計(jì)與加固，框架中沒有支座負(fù)筋對框架進(jìn)行支撐，沒有縱向鋼筋配置，因此無法在地震發(fā)生的時(shí)候?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)問題的對策

當(dāng)前的高層建筑是新興的工程，也是城市建設(shè)的發(fā)展主題。根據(jù)樓層的高度來劃分，定義出高層建筑，因國家而異。在高層建筑中出現(xiàn)的問題層出不窮，針對當(dāng)前存在的問題也有一定的解決措施。

3.1 平面與立面的形式選擇

在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要保證建筑物的三心匯聚一點(diǎn)，因此，選擇平面以及立面的形式顯得尤為重要。要想提高建筑物的抗震能力，需要做好軟件的計(jì)算工作，還需要考慮結(jié)構(gòu)體系以及布置和構(gòu)造，除了需要考慮結(jié)構(gòu)的安全，還需要綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)的美觀、結(jié)構(gòu)是否合理以及便于施工等因素。

3.2 梁體設(shè)計(jì)增加負(fù)筋

在梁體的設(shè)計(jì)中增加負(fù)筋，一般應(yīng)當(dāng)先增加箍筋。主梁的箍筋在次梁截面的范圍如果不能夠增加箍筋或者短缺箍筋，就需要再次梁的兩側(cè)進(jìn)行補(bǔ)充，比如樓板洞口的附加鋼筋。在規(guī)范中有一定的定義，就是在梁體下部或者梁的截面高度范圍內(nèi)存在集中荷載，應(yīng)當(dāng)由附加橫向鋼筋進(jìn)行承擔(dān)。梁體下部集中力還應(yīng)當(dāng)在增加附加筋，但是高度范圍的集中荷載應(yīng)當(dāng)根據(jù)情況而定，如圖2所示。

圖2 附加鋼筋位置（單位：mm）

3.3 超高問題

高層建筑的總體高度設(shè)計(jì)規(guī)范中很明確，高度設(shè)計(jì)必須滿足相關(guān)的結(jié)構(gòu)和抗震要求，規(guī)范的規(guī)定能夠最大限度改進(jìn)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與措施。

4 結(jié)語

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的，因此進(jìn)行設(shè)計(jì)工作應(yīng)當(dāng)清楚認(rèn)識相應(yīng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在受力分析和相關(guān)的測量中找到優(yōu)良的途徑，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，做好相應(yīng)的控制能力提升準(zhǔn)備，并加強(qiáng)對相關(guān)彈性指標(biāo)、硬性指標(biāo)的相關(guān)認(rèn)識，更好擴(kuò)展和發(fā)揮設(shè)計(jì)的全面事項(xiàng)。