高层建筑结构设计的问题及对策

2014-08-15吴灵平福建福大建筑设计有限公司福建福州350001

江西建材 2014年20期

■吴灵平 ■福建福大建筑设计有限公司，福建福州 350001

高层建筑结构体系和房屋高度的发展是与经济及科学技术的发展密切相关的。在我国，高层建筑是超过10层的住宅建筑和超过24米高的其他民用建筑。高层建筑是经济社会发展的产物，能够带来明显的社会和经济效益。通过人口的集中以及建筑高度的增高，大幅度减少对土地的利用，同时有助于缩短建筑工期，减低建设成本。高层建筑的设计是其建设过程中较为重要的环节，针对高层建筑的特点需要对建设的结构以及设备等方面进行合理的设计，才能有效保证高层建筑的建设有效性和科学性。

1 高层建筑结构的特点

高层建筑相对于一般的建筑而言，主要的特点就是其整体的建筑高度较高。而这一特点将会带来一系列建筑结构方面的问题。建筑的构建是由水平和竖向构建组成，高层建筑中的主要水平构件包括了梁、板，竖向构建主要包括了墙、柱、斜撑等。竖向荷载作用在楼盖、屋盖上，由楼板传至梁，再传至墙、柱、斜撑等，最后传递到基础。水平荷载由梁、柱、斜撑、墙组成的抗侧力体系抵抗，通过楼盖最后传至基础。高层建筑会受到水平和垂直荷载两个方向的作用，水平作用力一般是由于外界的风或者地震荷载所产生，而垂直荷载则一般是指建筑本身的重力，以及分布于各楼层的人员及设备的荷载。一般而言，在低层建筑中，其所受到的水平作用力较小，因此所带来的影响也较小。而随着建筑高度的增高，受到的水平风荷载影响将越来越大，因此会产生较大的水平侧向位移，而这无疑会对人们的居住舒适度和建筑的安全性造成较大的影响。因此，在进行高层建筑的设计时，应尤其注意对其水平荷载作用的控制，通过抗侧力结构设计减少侧向位移，保证高层建筑的经济性和稳定性。

2 高层建筑结构设计的原则

2.1 合理的抗震设计

高层建筑的抗震设计是整个设计过程中较为重要的环节，在进行抗震设计时应充分结合建筑的基本体型以及建筑所处的抗震设防烈度要求进行设计。抗震设计是在重视"计算设计"的同时，要着重从结构的整体出发，在抗震设计中具有主导作用，在结构抗震设计过程中在结构的刚度、强度、延度和轴压比方面加强结构的"概念设计。建筑的结构主要为简单平面和不规则平面两种，一般而言在地震多发地段会采用简单平面如方形、圆形、矩形等，用于抵抗地震发生时较强的水平作用力。而不规则平面则是应对城市中由于街道以及土地的限制，需要根据场地的实际情况对建筑进行设计，可以采用不规则平面的方式。对于不同类别的高层建筑，需要采取不同的抗震措施，对结构进行精确的地震反应分析，保证建筑的抗震可靠性。

2.2 选用合理的计算简图

在进行高层建筑的结构计算时，需要用到相关的计算简图。进行结构力学分析之前，应首先将实际结构进行抽象和简化，使之既能反映实际的主要受力特征，同时又能使计算大大简化。这种经合理抽象和简化，用来代替实际结构的力学模型叫做结构的计算简图。计算简图的选取在结构的力学分析中占有相当重要的地位，它直接影响着计算工作量的大小和分析结构与实际间的差异。在进行计算简图的选取时，应注意正确反映结构的实际受力情况，使计算结果尽可能与实际相符。对结构的内力和变形影响较小的次要因素，可以较大地简化甚至忽略，使计算大大简化。

2.3 完善结构措施

在对高层建筑的结构进行选择时，应充分保证结构措施的完善性。由于不同的结构构件所承受的荷载不同，在整个建筑中所发挥的作用也不尽相同。因此，在进行结构设计时，应从整体出发，充分分析各类构建的材质、受力情况以及延展性，保证各类构件能够有效合理的共同工作。此在，在进行结构设计时，还需要注重外部温度以及天气对于建筑的影响，保证构件面对不同的环境变化时均能达到其相应的强度要求。在进行设计时需要遵循强柱弱梁、强剪弱弯以及强压弱拉的基本原则，保证各类构件的统一性和整体性。

2.4 正确分析计算结果

计算结果的分析是对整体结构设计的结果进行分析的过程，一般通过计算机软件的模拟来实现。目前可用于进行结构计算与分析的软件较多，不同的软件的计算程序也不尽相同。因此在进行结构模型的计算与分析时，应根据结构的实际情况对相关的计算软件以及计算方式进行选择。若是计算方法选择不正确或是由于人为的因素导致输有误，则会严重影响到计算结果的正确性。在计算完成后，应对结果进行进一步的分析和比较，根据现场的实际情况进行校对，并最终得到准确的计算结果。

3 高层建筑结构设计存在的问题及对策

3.1 超高的问题

在高层建筑中，对于其总体建筑高度的确定是很重要的，建筑的高度设计必须满足其相关的结构和抗震的要求。我国建筑规范对高层建筑的结构高度有着严格的规定，在新规定中不但把原来限制的高度规定为A级高度，并且增加了B级高度，从而使高层建筑结构的设计方法和措施都有了很大的改进。在进行建筑的设计时，建筑的高度对于其受到的水平荷载以及自身的重力都有很大的影响。同时，过高的建筑将会增加建设的成本以及工期。因此，在对高层建筑进行设计时，应尤其注意对其超高问题的处理，合理保证建筑的高度，通过各专业的协调，达到整体设计的最优。

3.2 扭转问题

房屋结构的扭转问题是目前世界上地震工程中的一个热点问题，高层建筑因功能需要或由于受地形限制等原因，常常不能设计得完全对称，使得扭转耦联问题特别突出。一般而言，在设计时就要求结构平面力求简单、规则、对称，结构的主要抗侧力构件应对称均匀布置，尽量使结构的刚度中心和质量中心重合。在方案阶段或初设阶段，结构专业就应当加入建筑专业的工作，从前期就要满足抗震的的要求，从概念设计上就要提前把握上。扭转不规则时，应计及扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍。

3.3 设备承载设计问题

高层建筑中往往会存在很多相关的设备，包括各类空调和消防系统，且由于高层建筑的层数较多，这类设备的数量也往往较多。而一般而言，这些设备都被放置在楼层的梁底下，如果没有梁底开洞，就没有办法进行设备的安装。因此对于梁底承载力的计算和校验就显得尤为重要，若是设计不合理则有可能由于设备的荷载导致梁底承载力不足而导致结构的安全性问题。加强梁底的承载力设计一方面可以通过在孔洞的周围补强筋以及通过开孔梁挠度、裂缝宽度等数据进行分析和设计。在进行钢筋混凝土梁的承载力计算时，还要综合考虑不同种类的腹部开孔方式，以提高计算的准确性。有效的承载力度计算以及裂缝控制措施对于建筑结构设计的稳定性而言具有十分重要的意义。

3.4 建筑的刚度问题

在进行高层建筑时，往往会面对建筑刚度选择问题。刚度对于建筑的抗震以及经济性有着很大的影响。因为刚度大的结构地震作用大，会用到更大尺寸的构建，从而会增加成本。而较柔的结构地震作用小，可节省材料，但是变形较大。因此在进行建筑的抗震设计时，需要根据实际的情况，如建筑的具体高度、体系以及周围的环境等对建筑的刚度进行选择，不能一概而论。重要的是设计时要进行变形限制，将变形限制在规范许可的范围内，要使结构有足够的刚度，设置部分剪力墙的结构有利于减小结构变形和提高结构承载力。对于场地的情况分析则在于，若地基较硬则可以采取稍微柔一点的结构，而对于软土地基则应选择刚一点的结构。通过综合考虑，对建筑的刚度进行选择才能保证建筑的整体抗震性和经济性。