混凝土高层结构设计常见问题分析

张弛 仉明坤 孙章萍 赵鲁新 刘玉娟

【摘要】随着当下房地产行业的高速发展，钢筋混凝土结构作为当下建筑普遍使用的形式，其具有耐久性好、强度高以及稳定性优良等诸多优点，但是在目前高层建筑结构设计中，遇到了很多难题，本文根据当下混凝土高层结构中的经常遇到的问题，重点对结构的概念设计、地基与基础设计以及结构计算与分析等三个方面进行分析。

【关键词】混凝土；结构设计；常见问题

1、高层建筑结构受力分析

1.1高层建筑结构受力特征

高层建筑主要承受水平作用效应和竖向作用效应，水平作用效应一般指风荷载，在抗震设防地区还包括水平地震作用。竖向作用效应则一般由结构自重荷载产生，在抗震设防烈度为8、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，还应考虑竖向地震作用。在这些作用效应下，结构整体及主体构件均需具有足够的承载能力、刚度和延性，整体的设计注重概念，应符合相关规定中对于建筑形体的规则性要求，包括平面布置的规则性及竖向布置的规则性。在结构的平面和竖向布置选择时，应严格遵守《抗规》中的规定：建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性。不规则的建筑应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；严重不规则的建筑不应采用。

1.2高层建筑结构的传力路线

高层建筑的竖向平面结构和水平平面结构都必须有明确的传力路线。以某个作用在楼面上的重力荷载为例，它要通过楼盖构件的弯曲传递给竖向结构的某个构件，直到建筑物的基础和地基。且传力路线的模式依结构的类别和布置而异。高层建筑的底层往往只允许有少量的立柱，以便有足够的空间可以设置宽敞的入口、前厅或广场。这时，有较密柱间距的上层结构的重力荷载，就要通过另一种结构体系传给底层立柱以及底层立柱基础。

当高层建筑的楼层平面有突变时（如楼层有收进，或由矩形平面变成其他形状的平面时），或结构体系有变化时，它们的传力路线也会发生改变，这时往往既要有竖向的转换结构，也要有水平方向的转换结构。在高层建筑结构传力路线中还有一个区别于底层建筑结构的特殊问题，那就是高层建筑的每个立柱都承受着上层传来的重力荷载，要考虑它们各自在施工和使用过程中竖向压缩量的差异。

2、概念设计

2.1合理地布置抗侧力构件

对于一个单独的结构单元，在设计上的通常做法是，一般会尽力避免设计出应力集中的缩颈和凹角部位；而且尽量不要在这些部位设置楼、电梯间。整个结构外形也要避免外挑，尺寸内收也不宜过急，避免在结构上形成薄弱部位。最大限度地防止因局部结构或构件破坏，而出现全部结构失去承载力的情况。

2.2关于高宽比的规定

高宽比的规定是对结构整体刚度、整体稳定、抗倾覆能力、承载能力以及经济合理性的综合考虑，是长期工程经验的总结，根据当前的实际工程来看，这一限值是比较经济合理、比较实用的。但随着目前高层建筑的快速发展，设计师们发现其实高宽比并不是必须要满足的[1]。所以，实际工程已有一些超过高宽比限制的例子（如深圳京基100大厦高441.8米，共100层，高宽比为9.5，天津117大厦，高597米，共117层，高宽比为9.7），当然高宽比超过限值时，应对结构进行更加准确的受力分析，并施加可靠的构造措施。

2.3短肢剪力墙的设置问题

在新的规范中，将墙肢截面高度与厚度比为 5-8 的剪力墙定义为短肢剪力墙，且根据试验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制。工程实践中，相关研究数据也显示，在高层建筑中应用短肢剪力墙有很多不利的地方。所以，在具体的高层结构设计里，设计师们应该充分利用其它现有构造形式，来代替短肢剪力墙，防止给之后的工作增添意想不到的困难。

3、地基与基础设计

结构设计师们一般都很重视地基与基础的设计，因为这方面的工作，不但与后期工作的开展紧密相联，而且该分项工程将占整个工程造价很大的一部分，很多大型工程基础造价都很高[2]。忽视这一方面的工作，将会对整个工程造成难以想象的损失。在设计过程中，结构工程师一定要加以重视一些地方性规范。由于我国幅员辽阔，每个地方情况千差万别，地质条件又错综复杂，仅仅靠一本国家标准，显然很难对全国各地的地质情况都进行详细的描述，也很难对每个细节都做出规定，因此，结构工程师要利用好地方标准。而且在一些方面，地方性标准的描述和规定显得更加详细和准确。

在基础的具体设计中，应根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑破坏或影响正常使用的程度来确定基础设计等级。首先，地基计算应满足承载力计算的有关规定。其次，由于高层建筑的基础设计等级均为甲级或乙级，因此均应按地基变形设计。若地下室存在上浮问题时，还应进行抗浮验算。

4、结构计算与分析

在进行结构的计算与分析时，如何准确地参照规范进行处理和设计，是影响整个结构质量的决定性因素。新的规范里对结构设计和计算都有很多改进的部分，因此，作为结构工程师，必须对这一阶段较为普遍的问题有一个清楚的认识。

4.1 结构整体计算的软件选择

当前比较常用的计算软件一般包括：建科院PKPM其中的SATWE，MIDAS，ANYSYS， ETABS，SAP 等。由于各个软件使用的计算模型有一定区别，所以在各个软件计算结果上就会有或大或小的差异[3]。实际工程中，务必考虑结构类型和计算模型的具体特点，在进行整体分析时选择最恰当的软件，并使用不同軟件进行对比分析计算，从不同软件计算的相差较大的结果中，选择最接近工程实际情况的数据，这将是考量结构工程师一项很重要的标准。若不能选择合适的计算软件，不但会消耗大量的时间和精力，更重要的是会对结构埋下安全隐患，造成日后的工程问题。所以为了保险起见，通常在布置复杂的高层设计中，宜使用不少于两种不同的模型来进行内力分析和计算。

4.2剪力墙底部加强部位墙厚的确定

在进行抗震设计时，剪力墙的底部加强部位一般采取增加边缘构件箍筋和墙体的布筋来防止地震荷载的影响，预防结构出现脆性破坏，从而能够比较有效的改善结构的抗震性能，在现行的规范中，明确指出剪力墙结构底部加强部位的高度可以参考墙肢的1/8和底部两层二者中的较大值；而部分框支剪力墙结构底部的取值，可考虑以上两层的高度及墙肢总高度1/8中的较大值。

一般情况下，高层建筑结构底部加强部位的剪力墙截面厚度bw的取法按照以下规定，按照一、二级级抗震标准的情况，bw宜选择剪力墙无支长度的1/16或层高；按照三、四级抗震标准的情况，bw宜选择剪力墙无支长度的1/20或层高。但在墙底受力较小且结构层高相对较高的情况下，其厚度还按上述要求取值，就显得很不经济。所以，根据具体的工程实践，厚度可以适当减小，而且必须按照相应的公式计算稳定性。

4.3因多塔间各地震周期的互相干扰是否需分开计算

随着各地高层建筑的大力兴建，涌现大量大底盘多塔的高层建筑，那么在计算分析该类型的高层建筑时，是考虑当作一个大的整体并按照多塔类型来计算，还是选择人为地分开，这是结构结构工程师不能忽视一个问题。当多塔间刚度相差比较大，仍会出现地震力的分析和计算出现较大误差的情况，因此，结构工程师在计算和分析多塔楼的高层建筑时，应当根据各塔楼间刚度差异关系，选择适当的计算模型。

5、结束语

本文主要对高层混凝土结构设计中的常见问题做了详细的介绍和阐述，重点分析了结构的概念设计，地基与基础设计，以及结构的计算与分析等方面的内容。所以在实际的工程设计中，应该充分考虑这三个方面的影响因素，不断将各项工作落实到位，从而进一步推动高层建筑结构设计不断向前发展。

参考文献

[1]徐培福，肖从真，李建辉.高层建筑结构自振周期与结构高度关系及合理范围研究[J] .土木工程学报.2014（02）

[2]汪大绥，周建龙，包联进.超高层建筑结构经济性探讨[J].建筑结构.2012（05）

[3]范重，孔相立，刘学林，王义华，刘先明.超高层建筑结构施工模拟技术最新进展与实践[J].施工技术，2012（14）