高层建筑结构设计的问题及对策研究

2015-04-16李晓允

建材与装饰 2015年18期

关键词：剪力墙结构设计构件

李晓允

（鹤山市建筑设计院有限公司广东江门 529700）

高层建筑结构设计的问题及对策研究

李晓允

（鹤山市建筑设计院有限公司广东江门 529700）

在我国经济和技术不断发展的今天，我国城市化建设的进程也逐渐加快，高层建筑也不断涌现成为城市发展的一大标志。高层建筑的数量不断增多的同时，在其结构设计上的许多问题也越来越明显。本文在对高层建筑结构特征进行介绍时，通过分析高层建筑结构设计的原则，针对高层建筑结构体系的选型问题进行了阐述，并着重于分析高层建筑结构设计的问题和对策，提出笔者的相关建议与思考，以供参考。

高层建筑；结构设计；特征；问题；对策

自19世纪以来出现了现代高层建筑，随着社会的进步人类的发展，如今，在人们的生活中高层建筑越来越成为了不可或缺的一部分。高层建筑的结构本身具有一定的复杂性，对设计人员提出更高的要求，设计出来的结构不仅要具有很好的抗震、抗风性能，同时还要保证结构的稳定性，而且高层建筑的设计结构也要满足一定的科学性和合理性。

1　高层建筑结构设计的特点

1.1结构延性——重要的设计指标

相较于低层建筑，在地震过程中，高层建筑结构变形更严重，所以在结构设计上，高层建筑与低层建筑相比要更加柔和一点。为了防止高层建筑的倒塌，且在建筑进入塑性变形阶段后，不会引起结构整体明显的变形，并且能保证结构的延伸性，因此，在设计时，应该针对具体问题，制定具体的方案。

1.2不可忽视的轴向变形

由于高层建筑结构自重很大，会发生明显的变形，从而在柱中使轴向变形加剧，导致跨中正弯矩和端支座负弯矩增加，而连续梁中间支座处的负弯矩则会变小[1]。另外，影响结构轴向变形的因素很多，例如侧移、构件剪力以及竖向变形等，都会对结构安全性产生直接的影响，为了保证结构的安全性，应该合理控制构件的下料长度。此时，我们需要通过精确的计算，确定最终的构件下料长度。

1.3决定因素为水平荷载

当我们要建造一定楼层的建筑时，其竖向荷载时定制的，水平荷载中的地震和风荷载作用，都会因为结构动力特性的不同其数值也会发生不同程度的幅度的改变；高层建筑结构所承受的力矩，受到水平荷载和竖向构件轴力两方面因素的影响，且呈现正比例关系。因此，结构设计时，应该保证高层建筑的水平荷载弯矩、和轴力与建筑高度一次方呈正比例关系。

2　高层建筑物建筑结构设计的基本原则

2.1设计方案时要合理进行

在进行结构设计方案时，怎样才具有合理性，首先建筑结构体系和建筑结构形式上一定要满足高层建筑的结构设计原则，还要以节约成本为前提下做出最合理的设计方案[2]。建筑结构体系的基本要求就是需要传力简单和受力明确，当所建造的建筑具有相同的结构单元时，我们必须参考以前的范例，选择相同的建筑结构体系。除此之外，在选择合理化的建筑结构方案的同时，更应该将建筑施工的材料、建筑施工的条件、建筑工程设计的需求以及建筑的地理位置条件等考虑在内，综合性分析所有要求，作出最合理的设计方案。

2.2基础设计的合理进行

我们必须对每个建筑的地理位置、地质地貌、相邻建筑物的影响等进行综合分析，因为每个建筑的这些因素都不一样，通过综合分析最合理的基础设计才会出现。除此之外，建筑物荷载以及建筑物上部的结构类型都受基础设计好与坏的影响，特别对于高层建筑物，其更需要将建筑物荷载的分布情况考虑在内。与此同时，该高层建筑基础通过对临近建筑物地基的附加应力的影响从而会导致临近建筑地基也发生变形的现象，最终发生工程事故。这些都是我们在基础设计中不可忽视的。

2.3计算简图设计的合理进行

只有正确计算的数据才能保障建筑结构设计的安全性，这里我们提到计算，那么就出现了我们在设计中用到的计算简图，如果我们在设计计算简图时产生了不合理的设计，我们所计算出的结果的准确性也会受到很大的影响，更严重的情况下会出现错误的计算结果，错误的计算结果会对建筑物造成相当严重影响，从而使建筑的安全性得不到保障。为保证计算简图对建筑结构设计以及建筑物以后使用中的安全性没有任何影响，应该在实践中通过采取相应的构造措施来避免问题的发生。

3　高层建筑结构体系的选型

高层建筑的结构体系是建筑的结构在抵抗来自于水平方向和竖直方向的荷载时构件的组成形式和传力的路径[3]。通过属于竖向构件的墙体，柱等和属于水平构件的楼盖等将竖向荷载一直传递到建筑基础，同时为了将水平荷载传递到基础，建筑采用利用了抗侧力体系。

我们可以根据高层建筑结构的材料将高层建筑的结构体系分为四类：一种是钢筋混凝土结构体系，这种结构体系是运用最广泛的一种，具有由混凝土和钢筋一起受力的特点，而且在实际施工中具有成本低，抗压持久，防火等优点，从整体上看，其性能十分优良，但是也同时存在竖向力比较大，不能很好的延伸，施工进程缓慢的缺点；另一种是具有强度高，强抗震性，实际施工操作方便，延展性强和用途多等优点的钢结构体系，但这种结构同时也具备建造成本高，不能有效防火等缺点；另外两种结构体系分别是钢、混凝土混合结构体系和钢、混凝土组合结构体系，其中，钢混凝土结构体系在具有钢筋混凝土构件和钢构件长处的同时，钢构件的材料强度也得到了增加。

目前常见的高层建筑结构分为三种，按照结构形式，即一种是框架结构体系，另一种是剪力墙结构体系，还有一种是框架-剪力墙结构体系。但实际设计中，应该坚持一个原则，即梁、柱为结构的主要承载物，且承受结构自重荷载。所以，在设计时，应该充分考虑结构变形和侧向位移问题。同时，框架结构内力大的特点，使之适用于不大于50m高度的建筑；剪力墙结构体系就是将高层建筑的墙体作为抵抗侧力和竖向承重的结构体系。由于剪力墙结构的刚度大，整体性能好，不容易因为水平作用力而发生变形现象，所以比较适合应用在高层建筑中，但是剪力墙结构也有不足之处，因为其间距小，所以不能灵活的布置平面。

4　高层建筑结构设计问题以及相应的措施分析

4.1建筑结构的规范性问题

我国将建筑物的安全放在重点关注的对象中，所以高层建筑的工程项目就多了很多限制因素。我们需要做的就是对高层建筑工程项目中可能存在一些安全隐患进行必要的预防与控制[4]。举个例子：在建筑结构设计中，对建筑结构嵌固端的下层和上层刚度结构比有限制性的规定。而且，在国家最新颁布的规范中，明确的指出不规则的建筑设计方案不能在高层建筑结构设计中被采用，所以，高层建筑结构设计必须严格的按照新出每一条规范来对建筑结构进行设计，避免发生危险事故。

4.2高层建筑结构设计短肢剪力墙设置问题

在新规范中，墙肢截面高度与厚度之比为5～8则墙定义为短肢剪力墙，并根据实际经验和实验数据对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了许多限制，在设计高层建筑中时，避免这些限制因素给设计增加的一些不必要的困难，结构工程师通常使用的都不是短肢剪力墙。

4.3结构的规则性问题

在这一方面，新的规范有了较大的改动，使限制条件增加了不少。如：嵌固端上下层刚度比以及平面规则性等等有了不少限制。除此之外，新规范中强制规定建筑不应采用严重不规则的设计方案，为了使后期施工图的设计阶段工作顺利快速地进行，结构工程师一定要对个方面进行综合分析，按照新规范里的各项条款进行工作。

4.4结构超高的问题

在高规范以及抗震规范中，对结构的总高度是有非常严格的限制的，尤其是超高的问题，不仅在新规范中增加了B级高度，而且原来的限制高度被设定为A级高度，致使设计方法和处理措施在相应程度上都有很大的变动[5]。由于忽略了该问题而造成不能使施工图通过审查的现象，我们就必须要开专家会议进行论证或重新设计，这样不仅工程的工期被延误，也会影响工程的整体规划。

4.5嵌固端的设置问题

一般高层建筑配有大于一层的地下室或者人防。而高层建筑的地下室的顶板或者人防的顶板等位置设有嵌固端[6]。所以，结构工程设计人员在进行设计时，要着重注意嵌固端的设置可能带来的不便。将嵌固端的楼板的设计和固端上层和下层的刚度比进行综合分析，此外，嵌固端上层和下层的抗震等级要一致；在设计人员对高层建筑进行整体计算时，应合理对嵌固端进行设置，在设置嵌固端所放位置时要综合考虑高层建筑结构抗震缝隙设置。