高层建筑工程结构问题的设计与分析

2014-04-07刘爽

山西建筑 2014年15期

刘爽

(陕西省宝鸡市建筑设计院，陕西宝鸡 721000)

随着19世纪以来高层建筑的涌现，人们的生活环境中出现了越来越多的高层建筑工程。作为一个复杂而又庞大的体系，高层建筑结构设计主要是包含了抗风、抗震等内在的安全性设计，当然也包含了高层建筑结构的合理性与科学性。

1 高层建筑结构的特点

相比一般的建筑物结构，高层建筑结构有着不同的差异，高层建筑结构承受垂直荷载与水平荷载，其垂直荷载主要是因为建筑物的高度所引起的，而水平荷载则是由地震所引起的。一般来说，低层建筑不会受到太大的垂直荷载以及水平荷载。高层建筑中，对于钢结构高层风荷载水平作用大，混凝土高层风荷载产生的水平位移却颇小。但也不能否认高层建筑的外界因素对高层建筑的整体性能会产生影响，同时也是高层建筑主要的荷载因素。随着建筑高度的不断增加，由于地震的作用，高层建筑位移也呈现了较快的增长趋势。但高层建筑本身侧移不仅会对人的舒适度产生影响，同时也会影响到整体的使用功能。另外，侧移过大还会对建筑物结构的构件与非结构构件产生不同程度的损害。因此，在设计高层建筑物结构的时候，就需要将侧移控制在允许的范围内，如此才能避免建筑物对人的舒适度产生影响，同时也有利于建筑物的正常使用。我们可以看出，在高层建筑结构设计当中，抗侧力结构才是设计的核心所在。

2 高层建筑结构设计存在的问题与对策

1)超高问题。

根据高层建筑物本身的抗震需求，对于建筑物本身的高度也需要按照规范进行详细的规定，确保高层建筑物高度的设计能够满足抗震提出的要求。就高层建筑物的超高问题而言，原本将限制高度规定在A级高度，但是随着新规范内部条例的改进，对于超高规定的要求也逐渐地详细，新的规范里不仅对限制高度为A级高度加以限制，还做出了进一步的细化处理，增加了B级高度。如此详细、具体的规定，也让高层建筑结构设计处理的措施与方法有了进一步的改变。在实际的建筑高层结构设计中，如果没有重视到建筑结构的改变，忽视了高层建筑超高的问题，就会对整个工程造价与施工进度产生影响，所以，在施工图纸的审核时，一旦发现问题，必须组织与建筑物建设相关的专家对施工图纸进行重新的论证，避免因为设计问题对高层建筑结构产生影响。

2)规则性问题。

在新的高层建筑结构规范要求中，对于高层建筑结构规则性问题出现了更多的限制，比如:对于结构嵌固端的上层和下层的刚度都有着相应的规定，同时，也规定了平面的规则性等。另外，在新的规范当中，对于高层建筑不能采取影响规则性的设计方案的问题也有了进一步明确规定。因此，为了确保建筑工程能够按照设计标准进行下去，避免施工后期针对问题进行结构设计改动，在设计高层建筑结构时，就应该针对标准规范进行严格的限制。

3 某超限高层建筑结构设计与分析

1)工程概况。

广州白云绿地中心处于广州市白云新城的核心商务区之内，高层塔楼的平面是以长方形为主，其高度接近200 m，无论是形态还是高度上，都成为新城区区域的控制点。在外围结构上，塔楼主要是采用的low-e玻璃，通过这样的设计，也可以将建筑物最大限度虚化，这样也可以与建筑相互的融为一体。

2)本工程结构设计的难点。

在本超高层建筑的结构设计中，主要面临的难点之处如下:

a.本工程的地下室的平面长度244 m，宽度165 m，裙楼的平面长度171 m，宽度142 m，中间没有伸缩缝的设置，都属于超长的结构。为了将温差应力和混凝土变形所引起的混凝土开裂的问题解决，可以进行后浇带的设置，并且在设置中要考虑到外加剂的添加，这样才有利于混凝土钢筋的抗温度性与抗收缩性，并且在施工期间需要采取跳仓法的方式进行施工。

b.在主塔楼的2层与3层的平面楼板上需要开设洞口，开洞选择在第7层的东侧的2跨柱距的范围内，并且核心筒与开洞范围之内的框架柱之间没有任何的联结，这样就会导致跨层长柱的出现;在楼群的2层和3层平面楼板有凹凸，并且在中庭位置需要开设的洞口较大;在5层设置了多个放映厅，这样就需要在第6层的平面楼板上开设出面积较大的洞口。但是，如果进行了楼板的开洞，这样也会丧失楼板的连续性，《高规》当中提出，楼板平面存在的内变形也需要加以考虑，在计算当中也需要根据弹性模楼板的假定模型来实施，对于楼板的薄弱部位需要增加楼板的厚度，钢筋选择双向双层拉通。另外，要与其余的专业做好相互的协调，避免出现过于薄弱的楼板连接，必要的时候需要做好变形缝的设置。

c.在二期裙楼的平面范围当中，主塔楼处于平面的左下角处，大底盘与单塔的质心偏心距应该大于底盘相应边长的20%;考虑到主塔楼的高度，并且其体量较大，所以，引发的建筑物的扭转效应也会相对的出现在距离主塔楼位置较远处，在电梯间、楼梯间都需要设置剪力墙，这样才有利于裙楼抗扭刚度的增加，避免出现过大的扭转效应。

d.考虑到主塔楼高宽比相对较大，如果仅仅是考虑到抗侧刚度核心筒本身提供的尺寸，那么高宽比还会被加大，核心筒与平面之间是呈矩形的，而X，Y两向的侧向刚度还存在一定的差别，所以，在计算的过程中，Y向所表现出来的侧向刚度偏弱;考虑到这样的情况，在连接38楼到顶层的核心筒与框架梁的时候，就需要选择刚性连接的方式，将型钢暗梁与暗柱设置在核心筒，并且在实际的范围内，还形成隐形型钢框架，这样可以将实际的承载能力提升，将结构的延性加以提升，同时，也可以确保在大震之下结构的整体性能。

e.本工程中的主塔楼超高，裙楼外的里面体型复杂而又多变，弧形的立面和高达3层并在外立面开洞的中庭，这样就增加了幕墙的设计难度，根据规范是无法对幕墙设计提供准确的风荷载参数的。在工程中开展风洞试验，就可以获取建筑物的风荷载的局部体形系数以及风压峰值，同时，从数据中也可以了解主塔楼所受到的风振作用的影响。

f.目前，建筑抗震设计的趋势是建筑物抗震性能化设计，在2010版本的《抗规》和《高规》当中都有明确的规定，但是，与传统模式下的设计相互比较，新型方法还有一定的差异，在实际的施工中还需要分析与摸索。在超高层建筑的工程实施中，考虑到超限情况，在抗震性能设计理论方面以及实际的情况都需要特别的注意与控制，才能够让抗震设计取得明显的成效。