高层建筑结构设计的问题及对策探讨

2016-12-27承德市建筑设计研究院有限公司

大陆桥视野 2016年8期

关键词：剪力墙结构设计高层建筑

张雷/承德市建筑设计研究院有限公司

高层建筑结构设计的问题及对策探讨

张雷/承德市建筑设计研究院有限公司

【摘要】随着我国高层建筑的不断发展，高层建筑的结构设计要求越来越高。本文分析了高层建筑的结构特征，并重点分析了高层建筑结构设计问题及对策，可以为高层建筑结构设计提供参考和依据。

【关键词】高层建筑；结构设计；嵌固端；超高；剪力墙

一、高层建筑结构的特征

高层建筑结构不但承受着由于外界的风产生的水平方向的荷载，同时也承受着在垂直方向的荷载，并且对于地震的抵抗能力也有要求。一般情况下，建筑结构受到低层建筑结构水平方向上的影响比较弱，然而在高层建筑中，外界地震的影响和外界风产生的水平方向的荷载影响是主要的影响因素。随着建筑物高度的增加，高层建筑的位移增加较快，但是高层建筑过大的侧移不但影响人的舒适度，同时使得建筑物的使用受到影响，并且容易损坏结构构件以及非结构构件。基于此，在设计高层建筑结构时，要控制侧移在规定的范围之内，所以高层建筑结构设计的核心是抗侧力结构的设计。

二、高层建筑结构设计中存在的问题

（一）短肢剪力墙设置存在问题

当前的高层建筑结构设计过程中存在诸多问题，其中的一些问题会对结构产生较大的损害，甚至是致命的，其中最为典型的当属短肢剪力墙的不合理设置。有很多高层建筑结构的设计过程都出现过增设短肢剪力墙的现象，这种现象的发生导致高层建筑在后续的使用过程中的稳定性和安全性大打折扣，整个高层建筑的断肢剪力墙的抗震能力都会受到影响，因此高层建筑的后期的长时期使用过程中将会存在安全隐患。

（二）嵌固端设置存在问题

高层建筑结构设计中，嵌固端在工程结构中扮演着非常重要的角色，因此嵌固端的设计也是至关重要的，当前嵌固端的设计主要存在以下几个方面的问题：

一是嵌固端位置选择问题，一些高层建筑在嵌固端位置选择方面存在着较大的问题，尤其是一些高层建筑将其选择在地下室或者人防顶板处，这种设计模式及其的不科学，存在重大安全隐患，对于其效果的发挥是极为不利的；二是嵌固端上下层刚度设计的比例大小不够合理，上下层刚度比例大小是嵌固端设计是否合理的一项重要因素，当前的一些嵌固端设计中存在着较大的计算误差或者其他设计问题；三是嵌固端的设计过程中，一个比较棘手的问题是同抗震缝隙的处理存在较大的难度，彼此之间很难协调，这个问题势必会引起整个高层建筑结构的稳定可靠性。

（三）超高问题

超高也是当前高层建筑结构设计所面临的一个非常棘手的问题，所谓的超高问题指的是一些高层建筑建设单位基于经济利润的考虑，无视相关的文件制度以及设计规范，人为地增加高层建筑高度。但站在另一个角度考虑，这种做法违反了高层建筑结构设计规范，使得高层建筑的稳定性和抗震能力有所下降，一旦遭遇地震、强风天气或者其他自然灾害，就极易发生危险，甚至导致高层建筑结构发生倒塌或者断裂。

三、高层建筑物结构设计问题的解决对策

（一）选择合理的高层建筑结构方案。合理的结构设计方案必须满足经济性的要求，并且要满足结构形式和结构体系的要求。结构体系的要求是受力明确，传力简单。在相同的结构单元当中，应该选择相同结构体系，如果高层建筑处于地震区，那么应力需要平面和竖向的规则。在进行了地理条件，工程设计需求，施工条件，材料等的综合分析的基础上，并和建筑包括水，暖，电等各个专业的相协调的情况下，选择合理的结构，从而确定结构的方案。

（二）剪力墙的优化。在其它建筑中，原来框架结构中起承受水平和竖直两个方向的力的构件是梁柱，而在高层建筑中取代梁柱来承受水平和竖直两个方向的力的是剪力墙体系结构。剪力墙体系结构是一种混凝土材质的土墙结构，不仅可以直接承受水平和竖直的力，对于其它结构的水平载荷也可以起到调节作用。因此，不断优化剪力墙的结构对于整个高层建筑结构设计的进度和安全性都有着巨大的影响。在进行剪力墙结构体系优化的时候，需要注意剪力墙设计中的连梁的设计是很重要的一部分。高层建筑设计人员可以把连梁之间的各个墙体连接起来而形成联肢墙。这种设计可以使得墙肢的约束条件增加，从而使墙体的各个部分都得到了更多的内力，十分有效的提高高层建筑的抗震能力。但是这种做法的缺点在于对于投资商来说造成了不必要的浪费，然而对于整个高层建筑结构的安全性来说绝对是利大于弊的。

（三）平面及立面的选择。在进行高层建筑结构设计中，“三心合一”是一个重要的概念。“三心合一”指的是高层建筑整体的几何形心、刚度中心、结构重心尽可能地在空间中交汇于一个点。如果不能在高层建筑结构设计中做到“三心合一”，那么整个高层建筑的结构设计就会出现扭转问题。扭转问题会在风载等水平载荷的作用下对高层建筑的相应结构造成严重危害，继而影响到整个高层建筑的结构设计。为了防止扭转问题对于整个结构的危害，设计人员在设计时应该尽可能的使高层建筑整体达到“三心合一”的状态，要选择合理的结构形式和平面布局。因此，在选择平面和立面形式的时候，对高层建筑的平面要选择比较简单的形式，便于设计人员在进行计算和设计的时候条理清晰、不易混淆。大量的资料表明，对称结构更稳定，更容易在地震中保持安全，因此，选高层建筑的平面形式时要多选结构简单、线条规则、更加对称的平面形式。

（四）高层建筑结构存在着超高的问题。基于高层建筑抗震的要求，我国的建筑规范对高层建筑的结构的高度有严格的规定，针对高层建筑的超高问题，在新规范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，使得高层建筑结构处理设计方法和措施都有了改进。实际工程设计中，对于建筑结构类型的改变对高层超高问题的忽略，在施工审图时将不予通过，应该重新进行设计或者进行专家会议的论证等。在这种情况下，整个建筑工程的造价和工期都会受到极大的影响。

（五）高层建筑结构计算简图的选择。在对高层建筑进行结构设计的时候首先要进行结构计算，而结构计算一般需要选择一种计算简图，在选择的计算简图上进行高层建筑结构设计的计算。如果在一开始的时候就选择了不合理的简图，那么在高层建筑结构设计的时候就容易出现结构不合理的问题。因此，如果能在一开始就选择了一个合理的高层建筑结构计算简图，那么对于高层建筑结构设计会是一个重要的保障，同样的，合适的构造方法应该和相应的计算简图的方法匹配。重要的是，在实际高层建筑结构设计中，计算简图的结构节点不应只是钢节点或者铰节点，需要保证计算简图的误差在相应规范的规定范围内。