高层建筑结构设计的问题与对策研究

蒋全

（广州火柴建筑设计咨询有限公司广东广州510000）

高层建筑结构设计的问题与对策研究

蒋全

（广州火柴建筑设计咨询有限公司广东广州510000）

随着我国社会经济增长和城镇化率不断提高，城镇人口的增长所带来的居住、经营活动对建筑空间的需求日益增长，高层建筑因此在城市建筑群当中占据着越来越重要的地位。结构设计在高层建筑中承担着安全性、经济性、适用性三大重要功能，本文简要阐述高层建筑结构的整体结构方案选取、基础选型、抗侧力体系布置与构造措施等在高层建筑结构中的几大重点问题，并针对这些问题提出一些相关研究及对策，旨在提高高层建筑结构设计的质量。

高层建筑；结构设计；重点问题；对策研究

1　引言

我国是一个人口大国，而随着城市化的不断发展，城镇中心区居住用地面积日益减少，相应的促使我国住宅建筑的主趋势是向高层建筑方向发展。高层建筑及结构的工程设计属于技术密集型产业，具有系统性、综合性和复杂性的特点。在考虑到国民经济发展的程度，同时高层建筑在防火、抗震、抗风、沉降变形等方面较多层建筑具有更多的挑战，而在结构设计过程中，常常由于各种如人为因素、技术因素以及其他环境因素等的影响，给高层建筑的结构设计带来诸多问题。因此，如何改善和解决这些在设计中的隐性问题，对将来高层建设的顺利建设有着十分重要的意义。

2　高层建筑中可能出现的主要问题

2.1结构抗震

我国将高层建筑定义为10层及以上、高度超过28m的住宅建筑或高度大于24m的其他高层民用建筑。由于建筑高度的提高，在结构抗震理论体系中，结构所受到的侧向水平地震力引起的基底总剪力相应增加，对竖向抗侧力构件如剪力墙、柱的抗侧力性能提出更高的要求。而能否让剪力墙、框架柱形成一个安全高效的抗震结构体系，在实际地震作用下实现“强柱弱梁、强剪弱弯”的构件节点抗震效能，均是值得探讨的重要问题。

2.2结构抗风

结构的水平作用除了水平地震以外便是风荷载，而风荷载具有经常性，同时风压强度的随建筑物的高度呈倒三角形变化，是不可忽视而必须精确计算的一种作用。但由于风荷载的作用大小与建筑的体型、周边建筑遮挡等存在密切关系，能否通过有效的选取体型以及迎风面来达到减少风作用总值、合理计算风荷载作用下的梁柱构件强度计算，属于此项设计中的重点难点。

2.3地基基础

毫无疑问，基础设计是高层建筑设计中的重中之重。建筑上部结构的荷载通过板、梁、墙柱的传导顺序传至基础，基础再通过与基底的土（岩）的整体变形扩散应力。在设计基础时，能否结合勘察资料根据下层土体的力学性质来确定合理经济的基础型式，并通过承载力计算和沉降变形计算控制，适当考虑变刚度调平原则，合理确定上下部共同作用的结构体系，是基础设计中的重点。

2.4构造措施

高层建筑除了在结构的力学计算上，需要实现较好体系整体性之外，还需要在实现这些性能的细节上予以保障，而这就是结构的构造措施必须进行严格设计的必要性。比如，要确保在地震作用下结构具有作用的变形延性，必须要控制墙柱的轴压比；而要减少薄弱部位在地震时发生变形突变的可能性，竖向收进大于25%的上下相邻楼层的竖向构件抗震构造措施上，需提高一级；这些也是不能忽视的设计重点。

3　高层建筑物中问题的解决和改善

针对以上提出四点问题，建筑结构设计的各阶段均应注意，才能做到安全、经济、合理的结构设计目标。主要从以下几个方面进行重点控制和改善：

3.1前期方案阶段选择合理、科学的高层建筑设计方案

合理、科学的建筑设计方案是结构设计的先天条件和首要问题，尤其是几个非常重要的关键因素，即：建筑高度、高宽比、是否存在连体建筑、有效楼板宽度等指标是否满足结构规范要求；通过前期的结构介入，为实现结构体系的合理，规避不必要的错层、高度超限等导致的结构超限，而由此进入超限设计审查，相应会导致结构加强措施的增加和成本提升。

3.2合理布置竖向构件，改善高层建筑的抗震性能

由于高层建筑的特殊性，其抗震性能必须得到有效的保障。就抗侧力体系而言：①需要保证其各部分的结构刚度的均匀性、对称性，还有各结构单元的平面、立体的形状也尽量保持规整、规则。以上是概念设计的要求，也是确保结构受力在刚度分配作用原则下尽量均匀，不出现单侧受力明显大于垂直方向，也是避免产生过大的扭转位移的有效手段。②但在建筑方案日益复杂的现实情形下，无法保证结构规整的情形下，在通过整体电算软件的分析后（通用有限元软件如PKPM、Midas等），确保结构质量中心和刚度中心尽量重合。③应通过适当的布置竖向构件，应尽量确保竖向构件连续，避免不必要的转换结构，相应的避免了薄弱层的出现。

3.3风作用控制下的结构整体计算注意问题

由于风荷载作用与地震作用在区域分布上不存在相关性，在部分沿海低烈度地震区，如广东珠海，基本风压为0.75kN/m2，抗震设防烈度为Ⅶ度（地震峰值加速度0.10g），计算中往往出现风荷载作用下的层间位移角大于地震作用下计算值。而根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）要求及条文说明，对60m以上的建筑建议判别为风荷载敏感建筑，承载力计算设计时应予以乘以1.1倍的放大系数，但整体指标计算时不得放大。这是需要重点注意的问题一，若忽略此问题，则导致的问题不是内力计算偏大便是配筋计算偏小，均不可取。

3.4合理选取基础方案

从工程勘察阶段，注意复核地质勘探的结果是否满足结构设计的要求，如高层岩土勘察规范对钻探孔的布置间距要求及控制性钻孔的占比、钻孔入持力层深度是否符合，确保基础选型的前提无误。判定持力层后选取是采用桩基础还是独立基础，是否存在软弱下卧层或溶洞、孤石等不利地质情形，是否需要换填等地基处理。根据上部建筑荷载分布和大小，最大化的利用地基的承载能力，最大的确保总体沉降符合规范，并减小结构不同部位的差异不均匀沉降，选择最合理的基础方案。

3.5结构构造措施的合理设计

构造措施包含轴压比、钢筋抗震锚固长度、构造配筋要求等内容。应注意结构抗震等级与构造措施的一致性，若出现构造措施低于抗震等级要求，则偏于不安全。钢筋抗震锚固长度为基本锚固长度乘以抗震锚固系数，应特别注意在梁、墙平面外刚接时的最小直锚长度是否足够，否则节点抗震性能不能完全发挥。轴压比则必须在准确的荷载计算的前提下，作为抗震第一道防线得到保证。

3.6刚重比分析和嵌固端的选择

刚重比分析作为判别结构刚性是否满足在重力二阶作用下引起不可忽略的二次应力作用下的重要指标，不可忽视，否则易造成结构内力计算的偏小而偏于不安全。嵌固端作为水平作用的刚性端，以按规范要求以上下两层的刚度比是否小于0.5作为依据，实际工程由于需要进行嵌固端判别往往为地下室顶板，应注意计算下层刚度时的外伸跨度通常为三跨，若顶板为无梁楼盖体系，则应以刚度相等原则以等代梁刚度进行换算确定。

4　总结

综上所述，高层建筑的结构设计是一个系统性和综合性兼备的工程任务，需要结构设计师培养较强的责任心和细致性，同时能在高层建筑的结构设计上以规范和概念设计的原则为指导，规避常见的误区和问题，合理选择和布置结构整体体系，做好措施处理，才能实现在保证安全的前提下满足其他经济指标。

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TU318

A

1673-0038（2015）14-0005-02

2015-3-18

蒋全（1988-），男，助理工程师，大学本科，主要从事建筑结构设计工作。