钢筋混凝土高层结构设计中常见问题探讨

2015-04-16吴泽亮

建材与装饰 2015年30期

关键词：固端概念设计高层

吴泽亮

（成都西南交通大学设计研究院有限公司　四川　成都　610000）

钢筋混凝土高层结构设计中常见问题探讨

吴泽亮

（成都西南交通大学设计研究院有限公司四川成都610000）

随着我国高层建筑的不断被建成，高层建筑的结构设计慢慢成为了结构工程师在设计工作过程中的主要重点以及难点所在。本文依据钢筋混凝土高层结构设计的大量工程实践，针对钢筋混凝土高层结构设计过程中的概念设计、地基以及基础设计、结构分析与计算等几个方面，对最近几年以来高层建筑结构设计过程中的一些常见问题进行了总结，以期为高层建筑结构设计与分析提供一定的参考。

高层结构设计；概念设计；地基与基础设计；结构计算

引言

我国现阶段的建筑行业得到快速的发展，一大批高层结构的建筑群大量涌现，这就使高层建筑的建筑材料、施工技术以及设计理念都发生了巨大的变化[1]。钢筋混凝土结构作为现代建筑较为普遍采取的一种结构形式，拥有很多的优点，比如说稳定性高、强度大、抗震性能好以及耐久性强等，使得其在现阶段高层建筑结构中的应用越来越广泛[2]。为了达到高层建筑中实际钢筋混凝土结构的需求，则结构设计显得尤为重要。所以，对钢筋混凝土高层结构设计过程中存在的问题进行探讨，了解并掌握设计过程中经常可能面临的重点和难点，同时采用合理科学的措施来提高和完善钢筋混凝土高层结构设计，只有这样才能在最大程度上提升钢筋混凝土高层结构的设计质量[3]。

1　概念设计

建筑结构设计不仅需要满足建筑工程使用功能以及实际效果，必须还具有很好的质量保障，这一环节也是建筑结构中最为重要的环节。在现阶段高层结构设计过程中，有人提出了“概念设计”这一理论，实际上建筑结构的概念设计是一种提升结构抗震性能的设计方法。在进行设计时，选择优质合理的结构设计方案有利于建筑整体的抗震性能。针对结构设计的每一个延性构件，都需要对其实施具体的分析。同时还需要采用对应的解决手段，防止一些薄弱层发生损坏的现象。在进行高层结构设计时，我们强调概念设计同样说明其重要性。在进行工程设计过程中结构工程师必须严格根据规范和标准的要求进行设计，同时还需要了解有关结构概念的相关原则，从宏观上杜绝出现计算失误或者设计失误的情况，确保工程的本质安全。

1.1高宽比的规定

高宽比的规定对于高层建筑结构而言，其是对结构抗倾覆能力、整体刚度、经济合理性、承载能力以及整体稳定的宏观控制指标，是在总结长期工程经验的基础上提出来的，从当前绝大部分A级高度高层建筑看来，采用这一限值是比较经济合理且非常实用的。实施上很多学者对结构稳定、侧向位移、承载能力、抗倾覆能力等性能的规定也在一定程度上体现了对结构高宽比的限定。当满足上述这些规定的时候，则高宽比的规定便不再是一个必须满足的条件，也不再是判断结构是不是规则，并当作超限高层建筑抗震审查指标之一，需要注意的是规范的用词为“不宜超过”。但是在实际工程中已经存在很多超过高宽比限制的例子，比如说上海金茂大厦为88层，高度为420m，它的高宽比是7.6，位于深圳的地王大厦为81层高度为320m，其高宽比是8.8。如果实际情况超过了限制，则需要对结构实施更加精确更符合实际情况的分析计算与切实可靠的构造措施。

1.2合理科学的布置抗侧力构件

在一个完全独立的结构单元内部，应该尽量防止有狭长的缩颈部位以及应力集中的凹角；同时还不能在端部和凹角处设置楼梯间以及电梯间；降低地震影响下的扭转效应。竖向体型尽可能防止外挑，但是内收也不应该过多或过急，结构承载力以及刚度沿房屋高度应该保持连续、均匀分布，防止结构出现的软弱以及薄弱部位。应该尽量防止由于部分构件或结构的破坏而造成整个结构失去对重力荷载的承载力或者抗震能力。应该结合实际情况，结构单元之间必须遵循有效分离或牢固连接的方法。高层建筑的结构单元还应该采用加强连接的方法。

1.3嵌固端的设置相关问题

在进行高层建筑结构计算分析以前首先必须明确结构嵌固端所处的位置，但是嵌固端的选择却有着各种各样不同情况，比如没有地下室但是基础埋深却很大；不设地下室但是楼层层数有多有少，同时基础形式不一样等。需要结合以上的一些实际情况合理选择其结构嵌固端，这是高层建筑结构分析计算模式中的一个非常重要假定，它不但影响着结构中部分构件内力分配的精确性，同时还关系到结构产生侧移的真实性和结构局部的经济性，所以，在此问题上，有关的结构设计工程师必须注意如下几点：嵌固端上下层之间刚度比的限制、嵌固端楼板的设计、在进行结构整体计算过程中嵌固端的设置、嵌固端上下层之间抗震等级的一致性、嵌固端位置的协调以及结构抗震缝设置等有关问题，如果忽略以上中的其中任何一点都可能会造成后期设计工作的幅度较大的修改甚至是埋下安全隐患。

1.4短肢剪力墙的设置相关问题

所谓短肢剪力墙指的是对墙肢截面高厚比为5～8的墙，并且根据实际经验以及实验数据，在高层建筑中应用短肢剪力墙是需要增添更多的限制，所以，在进行高层建筑设计时，结构工程师应该尽量少采取或是不采取短肢剪力墙，以防止给后期设计工作增添不必要的麻烦。

2　地基和基础设计

地基和基础设计一直以来都是结构工程师非常重视的方面，不单单是因为这一阶段设计过程的好坏会对后期设计工作的进行造成直接影响，同时，也是由于地基和基础它是整个工程造价的重要决定性因素。所以，针对这一阶段所发生的问题很有可能非常严重甚至导致无法估量的损失。

在进行高层建筑的基础设计过程中，应对建筑场地的水位以及地质状况、使用功能、上部结构类型、相邻建筑的相互影响以及施工条件等个方面进行综合考虑，以确保建筑物不至于发生太大的沉降或者倾斜，同时还应该能符合正常使用要求。还应该注重掌握相邻各类地下实施以及地下构筑物的标高和位置，以确保基础的安全，进而使得施工中不出现问题。在进行地基基础设计时还需要注重地方性规范的重要程度问题。由于我国地域比较广阔，地质条件多变并且相当复杂，仅仅一个《地基基础设计规范》这一个国家标准远远不能满足全国各地的地基和基础设计的要求。所以，地方标准作为国家标准的补充。地方有关的地基基础设计规范可以把每个地方的地基基础设计处理方法以及类型等一些相对比较成熟的经验规定和描得更为准确和详细。因此，在地基基础设计过程中，一定要深入学习地方规范，以防止对后期设计工作或者整个结构设计产生较大的影响。

3　结构分析与计算

随着科学技术的不断发展，现阶段高层建筑的结构计算分析差不多都是采用计算机软件来进行，但是计算机软件还无法全部代替设计人员的设计理念。在实施计算前后，设计人员需要对软件的适用范围以及计算原理有一个清楚的认识。在结构分析与计算阶段，怎样高效、准确地对工程实施内力分析同时根据规范要求进行处理和设计，这是影响工程设计质量好坏的关键所在。

3.1结构整体计算可使用的软件

现阶段比较常用的计算软件主要有：SATWE、TAT、TBSA或ETABS、SAP等。但是，因为每个软件所使用的计算模型不是完全一样，所以造成了每个软件的计算结果存在或多或少的差异。因此，在进行工程整体结构分析与计算时需要根据计算软件模型的特点以及结构类型选取合理的计算软件，并从根据不同软件计算相差很大的计算结果中，判定哪个是较为合理的、哪个是能够作为参考的，哪个是没有意义的，这一点是结构工程师在进行设计工作是需要重点关注的工作。不然如果选择计算软件时不合适，不仅会浪费大量的精力和时间，还会使得结构存在不安全的隐患。

3.2周期折减系数

一般情况下在高层结构中都会设置非结构的砌体填充墙，在进行结构计算时应该充分考虑它对主体结构的影响。周期的折减应该考虑到门窗洞口的设置可能对周期的影响。填充墙的多少以及不同的结构类型决定了周期折减系数取值大小，并不可以一概而论。

3.3振型数目是不是足够

阵型数的多少由结构的层数决定，所以，在分析计算阶段需要依据规范要求对有关的计算结果进行判定，并决定是不是需要调整振型数目的取值。

3.4多塔各地震周期之间的相互干扰，是不是要分开计算

近年来，多塔楼、大底盘的高层建筑类型涌现较多，针对该类型高层建筑进行计算分析时，是将结构视为一个整体并且按多塔类型实施计算，还是把结构进行分开计算，这一点是结构工程师一定需要关注的问题。如果多塔之间的刚度相差比较大，就很有可能发生即使振型参与系数符合要求，但是针对某座塔楼的地震力计算其误差还是有可能非常大，进而使得结构出现不安全的隐患。

3.5非结构构件的设计与计算

在进行高层建筑设计时，通常存在出于功能要求或者建筑美观并且非主体承重骨架体系之内的非结构构件。针对这部分的内容，特别是对高层建筑屋顶处的装饰构件实施设计时，因为高层建筑的地震影响以及风荷载都非常大，所以，一定要严格根据规范中的有关非结构构件的计算处理手段进行设计。