高层建筑结构设计的实践探讨

2010-08-15刘颖霞

科技传播 2010年13期

关键词：井筒弯矩结构设计

刘颖霞

许昌市东城区财政投资评审中心，河南许昌 461000

高层建筑结构设计的实践探讨

刘颖霞

许昌市东城区财政投资评审中心，河南许昌 461000

随着经济的快速发展和城市化进程的加快，高层建筑大量涌现并从单一用途向多用途、多功能发展，从而给高层建筑结构设计带来新的课题。本文在分析高层建筑结构形式特点的基础上对高层建筑结构设计中存在的几个问题及解决方法进行了探讨，并总结了应注意的事项。

高层建筑；结构设计；实践探讨

随着经济的发展，我国高层建筑特别是超高层建筑的发展非常迅速，其规模、形式日益丰富。高层建筑形式的这一变化使得结构形式也发生了很大的变化，传统的设计方法遇到了挑战和瓶颈，为了确保高层建筑结构设计的安全和合理，开展高层建筑结构设计的实践探讨非常必要。

1 高层建筑结构设计特点

1.1 水平荷载成为决定因素

楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩，与楼房高度的1次方成正比。而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖构件中引起的轴力，与楼房高度的2次方成正比。对于一定高度的楼房来讲，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，则随着结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

1.2 轴向变形不容忽视

高层建筑的竖向荷载很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，会对连续梁弯矩产生影响，导致连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大，还会对预制构件的下料长度产生影响。针对以上问题要求根据轴向变形计算值对下料长度进行调整。

1.3 侧移成为控制指标

与较低的楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下的结构侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

1.4 结构延性是重要的设计指标

相对于较低的楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，尤其需要在构造上采取恰当的措施，以保证结构具有足够的延性。

2 高层建筑结构设计面临的问题及对策

2.1 荷载取值不适当

当房屋建筑地基大部分受力面积没有软粘性土层时，柱下独立基础多用于钢筋混凝土多层框架房屋的建设，因为只要房屋高度不超过25m，即一般不高于8层的情况下，就不必验算地基抗震承载力了。但是风荷载的影响在房屋基础设计时还是必须考虑的，所以在整体计算分析钢筋混凝土多层框架房屋时，需要输入风荷载。许多人就觉得在地震区以外，风荷载一般在房屋建筑时不起作用就可不考虑甚至是忽略不计，这是及其错误的。另外还有一点，顶面上的外荷载，即柱脚内力设计值不能只取轴力设计值和弯矩设计值，无剪力设计值，或者只取轴力设计值甚至任意一项的值。这种情况会导致基础设计尺寸偏小、配筋偏少，从而影响基础和上部结构的安全或者造成事故。

2.2 框架计算简图输入错误

设置拉梁层时，最好比较一下底层柱的配筋是由什么控制的，是基础顶面处的截面控制还是基础拉梁顶面处的截面控制。因为无地下室的钢筋混凝土多层框架房屋，一般情况下，独立基础埋置较深，这样对地基土就有约束作用，对于这种情况的基础简图，可写地下室层数为1，再输入电算程序总信息中，最好再复算，以防那个出错，两次计算出来的结果形成包络图，就按照包络图对框架结构底层柱进行配筋。

2.3 基础拉梁层的计算模型不准确

基础拉梁层的计算模型不符合实际情况的直接后果就是房屋平面不规则。究其原因是用TAT或SATWE等电算程序进行框架整体计算时，楼板厚度应取零（基础拉梁层无楼板），同时定义弹性节点，最关键的一点是要用总刚分析方法进行分析计算。如果前两者都做好了，就没有用总刚分析，那么程序分析时自动按刚性楼面假定进行计算，这就与实际情况不相符，从而产生错误，导致房屋平面不规则。

2.4 基础拉梁的设计不合理

减小小底层柱的计算长度和位移适宜用在多层框架房屋基础埋深值较大时，也可在适当的位置基础拉梁，应当按框架梁进行设计并按规定的规范设置箍筋加密区而不宜按结构要求设置。从抗震的角度考虑，应采用短柱基础。

2.5 框架结构尽量避免设置带楼电梯小井筒

井筒会吸收较大的地震剪力，这就减少了框架结构承担的地震剪力。但是井筒墙壁减薄，开竖缝、开洞等种种办法使刚度弱化了也可以设计钢筋混凝土井筒。要弱化井筒的影响，在配筋时适合配置单排的少量的钢筋。应特别注意的是在设计计算时不能忽视按带井筒的框架复核，同时加强与墙体相连的柱子的配筋。对于框架结构出屋顶的楼电梯间和水箱间这样的结构，不应采用砌体墙承重，适合采用框架承重。

2.6 结构计算中重要参数的合理确定

结构计算的所有结果，包括：楼层地震剪力系数，墙和柱的轴压比及墙、柱、梁和板的配筋，楼层的侧向刚度比，楼层弹性层间位移和弹塑性变形验算时楼层的弹塑性层间位移，框架—抗震墙结构抗震墙承受的地震倾覆力矩与总地震倾覆力矩的比值，楼层弹性层间位移和弹塑性变形验算时楼层的弹塑性层间位移，结构的自振周期，振型参与质量系数等等。在结构设计计算时，要制定合理的结构方案，填写正确的抗震防裂度，合理选取各项参数，这十分重要。总之，结构要认真的判断分析其是否合理、可行，确认无误才可用于设计。

3 高层结构设计应注意的事项

1）周期折减系数在高层结构的周期分析中，很容易忽略掉非结构的砌体填充墙所带来的影响。显然，周期的折减应考虑到非结构性构件的影响作用，而且不同的结构类型和填充墙的形式也决定了周期折减系数的取值。

2）选择足够的振型数目通常对于规则高层建筑而已，选择其前三阶振型计算即可满足计算要求，在分析的过程中，应依据规范要求对计算结果进行合理判断。但对于一些不规则的高层结构而已，或者对于一些有特殊构件的结构而已，局部的振动也必然存在，此时因根据具体的振动特性来选择振型数目的取值。

3）明确多塔之间的藕联计算在高层建筑结构形式中，主塔建筑和裙塔建筑构成的藕联体系是一种常见的结构形式，按结构的受力特点，将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算是满足力学基本要求的规定，但是很多工程师为了计算的方便通常都是分开单独计算，这样处理显然是存在问题的。当多塔间刚度相差较大的时候，两者之间就存在“耦合效应”，此时若忽视掉就必然使得塔楼的计算误差仍然有较大，从而导致结构出现不安全的隐患。