高层建筑结构设计需关注的几个问题

2012-08-15刘戈锐

科技视界 2012年23期

刘戈锐

（广州港工程设计院有限公司广东广州 510100）

一系列新兴结构设计方案以迅猛的速度出现在城市建设中，建筑类型与功能越来越复杂,高层建筑的结构体系也越来越多样化，高层建筑结构设计也成为了高层建筑结构工程设计工作的重点和难点。面对这样的形势,我们应该把高层建筑的结构设计放在首要位置加以研究探讨。

1 高层建筑结构受力方面

建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布做出总体设想。

对于低层、多层和高层建筑，竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的，但是，随着高度的不断增加。竖向结构体系成为设计的控制因素，其原因有两个：其一，较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒；其二，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。与竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的，而是随建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比，而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比，地震的作用效应更加明显。在高层建筑中，问题不仅仅是抗剪，而更重要的是整体抗弯和抵抗变形，可见，高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异。

2 关于框架柱截面大小的选择

对于框架柱来讲，轴压比越小，在往复水平荷载作用下其滞回曲线越丰满，即其耗能能力越大、延性越好；相反对于短柱，即柱净高与截面高度之比小于4的柱，在往复水平荷载作用下其滞回曲线呈较瘦的反S形，耗能能力降低、延性较差，呈剪切破坏。对高层建筑的底部柱而言，为了满足轴压比限值的要求，故将柱截面取得很大，随之而来，由于层高的限制，就使得框架柱成为短柱。这就带来一个问题，到底是柱截面大好还是柱截面小好？在实际工程设计中，常采用以下几种措施：第一，框架柱的截面首先要满足规范轴压比的要求，这对于保证结构的竖向承载力、底板的抗冲切承载力有很大的好处，对于形成的短柱则通过增加体积配箍率及沿柱身全高加密箍筋来提高延性；第二，采用高强混凝土、钢管混凝土柱或劲钢混凝土柱；第三，使柱的轴压比满足规范限制要求即可，不能使其过小。另外，对于底层框架柱来讲，柱的抗弯刚度远远大于梁的抗弯刚度，梁板对柱的约束程度相对较小，因此底层柱很有可能是长柱并非短柱，所以采取上述措施，并符合强柱弱梁、强剪弱弯的原则后，底层框架柱在地震时是能够做到不发生剪切破坏的。

同一楼层中各柱要尽量等刚度，即截面差异不要太大。在柱截面选择时，有的是根据柱负荷面积进行的，中柱截面最大、边柱次之，而角柱最小，这样在同一楼层特别是在建筑底部会出现长短柱共存的现象。

3 关于现浇梁板共同作用的问题

现浇梁应考虑翼缘板的作用已为业内所共识，但对于框架梁翼缘板内与梁肋平行的上下层钢筋共同参与梁端截面抗弯承载力的作用问题，国家相关规范均为有做出过明确的说明与规定。设计时常常将按实际刚度计算所得的梁端负弯矩钢筋均配置在梁肋内，而翼缘板钢筋则按现浇板受力要求配置。这就无形中增加了梁端负弯矩钢筋的配筋量，导致框架梁的负屈服弯矩承载力的相应提高，极易形成 “强梁弱柱”。

为实现“强柱弱梁”的设计目的，保证在罕遇地震时能首先在梁端附近出现塑性铰，形成具有延性功能的结构体系，则应将按设计荷载、地震作用计算所需的梁端负弯矩钢筋合理地分布在梁肋及其有效的翼缘宽度范围内；或者将计算所需的梁端负弯矩钢筋减去有效翼缘宽度范围内的板内上下层钢筋面积，然后将剩余的负弯矩钢筋配置在梁肋的宽度范围内。至于多少范围内的板内钢筋可以被考虑为共同参与梁支座截面的抗弯工作这一问题，参考有关资料，笔者认为近似取5-6倍的板厚度（中梁）、2.5-3倍的板厚度（边梁）。

4 屋面高大女儿墙的设计方法

对于高层建筑，为了照顾立面效果，屋顶女儿墙往往做的很高，其荷载效应对主体结构的影响越来越明显，这一点常常被设计者所忽略。在设计上，女儿墙无法直接参与主体结构的分析，所以在计算时往往仅考虑女儿墙的自重，当女儿墙较低时，这种方法是符合精度要求的，不会影响结构的安全；但是，随着女儿墙高度的增加，其地震荷载和风荷载效应也在增加，对主体结构的影响越来越大。

因此，当女儿墙较高时，要仔细计算女儿墙所受水平荷载的情况。由于其侧向刚度较小，女儿墙一般采用钢筋混凝土材料，配筋计算可按支承于屋顶的悬臂板来考虑，且应配双层钢筋。为保证屋面女儿墙与主体结构的可靠连接，屋面女儿墙所在的框架梁或墙必须具有足够的抗弯、抗扭刚度，即对框架梁要根据女儿墙的底部计算弯矩配置受扭钢筋。

对女儿墙的计算，主要应该验算在正常使用情况下由风荷载引起的内力并进行截面配筋。但对于超越一般层高以上的屋面女儿墙、屋面高大构架，则应地震作用计算，并将其地震作用乘以放大系数3来进行内力、配筋计算，同时应考虑对屋面梁柱的影响，必要时应设置至少向内延伸一跨的框架结构，以抵抗风荷载、地震作用的不利影响。

5 剪力墙设计中需要注意的几个问题

钢筋混凝土抗震墙的延性和破坏形态与墙体的高宽比和超静定次数密切相关。为了提高抗震墙的变形能力，避免发生剪切破坏，对于一道截面较长的抗震墙，应该利用洞口设置弱连梁，使墙体分为小开口墙、多肢墙或单肢墙，并使每个墙段的高宽比不小于2。但是，考虑到耗能，连梁又不能太弱，连梁弱到成为一般小梁时，墙肢就变成单肢墙，而单肢墙的延性很差，仅为多肢墙的一半，且单肢墙仅具有一道抗震防线，超静定次数少，在地震作用下是很不利的。目前，有许多设计人员将结构中门洞连梁、窗洞连梁都改为截面高度极小的二力杆件，这对结构抗震是很不好的；在实际设计中，对连梁的刚度都要进行折减，这是因为剪力墙的刚度一般都很大，在水平力作用下，剪力墙中的连梁会因为很大的内力而超过截面允许值，可靠的办法是让这些连梁先屈服，要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏，连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求，对连梁的刚度进行折减实际上就是降低其抗弯能力。连梁折减后，实际还存在超限问题，当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时，可考虑在大震作用下超限连梁不参与工作，按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析，墙肢按两次计算的内力较大者设计配筋。同时还可采用设置斜撑、双连梁的方法解决问题。

规范规定，剪力墙在端部应设置暗柱、端柱等边缘构件。这些边缘构件的作用相当于砖混结构的约束柱，当结构的刚度较小，地震作用下层间位移和顶点位移较大时，边缘构件所起的作用也就越大，此时暗柱的截面和配筋就应加大。如果剪力墙的总截面面积与楼层面积之比值较大时，且房屋高度较小、楼座面积较大时，墙端部的暗柱面积和配筋量就不需按规范要求设置那么多。

6 关于现浇混凝土楼板的配筋

高层建筑中的现浇混凝土楼板，计算时分为单向板和双向板两种，四边都是固定的，按弹性理论利用微机或图表进行计算，但是图表有好多种，计算结果不尽一致，再者梁对板的约束难以达到绝对固定的效果，特别是边梁对板的约束、活荷载的不均匀分布、梁的转动卸荷以及塑性变形等因素都将引起内力重分布，结果使板跨中内力增大、安全度降低；另外还有一个施工因素，支座上的上层钢筋，在施工过程中由于浇筑混凝土的倾压、操作人员的践踏等原因造成不同程度的下沉，使内力臂减小，从而降低板的支座内力，而抵抗正弯矩的下层钢筋容易保证，结果使板支座部分安全度提高，相对而言跨中安全度降低，所以在实际设计中，边跨板跨中配筋宜按照边跨铰接计算结果配筋，边跨板支座配筋可不调整，按照边跨固结计算结果。对于大跨板相邻小跨板的情况，小跨板通常板厚较小，考虑到其实际的约束作用可能减弱，大跨板跨中配筋宜适当放大1.1-1.2倍。