1、关于高层结构设计中常见问题的探讨摘要：随着高层建筑在我国的快速发展，建筑高度日益增加，建筑类型也日新月异，高层建筑的难度也相对增大。因此，作为一名建筑结构设计人员如何在高层建筑设计阶段做好高层建筑的结构设计，解决可能出现的问题，是目前设计人员面临的一个重要课题。本文作者结合多年工作经验，对高层建筑结构设计中常见的一些问题进行了简单探讨，仅供相关人员参考学习。 关键词：高层建筑；结构设计；常见问题 中图分类号：TU972 文献标识码：A 引言 基于我国社会经济和建筑业的迅速发展，建设用地日趋紧张，使得城市建筑物不断向高发展，同时高层建筑类型及功能也越来越复杂，这就需要设计人员在进行高层建筑结构设
2、计时不仅要依靠自己掌握的知识，更要根据具体情况来分析和解决可能遇到的各种问题。下面本人结合多年工作经验，就高层建筑结构设计中常见的问题进行简单探讨，仅供同行参考学习。 1 高层建筑概述 1.1 高层建筑定义。迄今为止，世界各国对多层建筑与高层建筑的划分界限并不统一。同一个国家的不同建筑标准，或者同一建筑标准在不同时期的划分界限也可能不尽相同。 1.2 高层建筑结构体系。目前高层住宅主要有分为以下结构体系：1）剪力墙结构体系。剪力墙是高层住宅最常用的结构体系,采用剪力墙结构可以减少非承重隔墙数量,一般用钢量比框剪结构少,而且室内无外露梁柱,用户比较喜欢。2）框架轻体墙结构和框架剪力墙混合结构体系
3、。这种体系能使高层住宅大幅度降低自重,又能使内部空间分隔有更大的灵活性,因而在国内被广泛使用。3）筒形结构体系。超过 30 层以上的高层建筑受到较大的侧力,为一般结构体系所不能承受,而筒形结构的刚度较大,中央设有井筒,外围设置的柱子形成筒状柱网,核心井筒与周围框架共同工作,形成抗侧力极强的结构体系。核心井筒作为电梯间、楼梯间、设备管道间使用。井筒与四周钢筋混凝土柱网之间有横梁或板联系。全部的内隔墙为轻质墙,外墙为保温的围护墙。内外筒之间可以自由分隔,十分灵活。4）其他结构体系。高层建筑的新结构体系大部分是探索性的,如筒中筒结构的发展,或者束状筒的组合,外筒桁架交错,以中心井筒悬挂式结构以及很高
4、的桁架梁的体系等。 2 高层结构设计常见问题 2.1 基础埋深问题 基础应该要有一定的埋深，埋置深度可以从室外地坪一直算到基础底面，对于独立的高层建筑而言，基础埋深比较容易确定，但当今多数高层建筑与地下车库都是相互连接的，当地下车库基础采用筏板基础或设有防水底板的独立基础(防水底板不宜太薄)时，高层建筑的基础埋深可从室外地坪算起，此时高层建筑地下室顶板及地下车库顶板应按嵌固层要求设计，地下车库应有足够的侧向刚度作为高层建筑的侧限。假如不满足以上条件的时候，高层建筑的基础埋深应该要从地下车库地面算起。目前高层建筑通常设地下室来满足埋深要求，此种做法主要有以下几点优势：1）提高地基承载力。当高层建
5、筑采用天然地基时，地基承载力可进行修正.随着基础埋深的增加，修正后的地基承载力随之增大，从而可满足高层建筑对地基承载力的要求。2）有利于高层建筑上部结构的整体稳定。高层建筑地下室外墙一般采用钢筋硷墙，地下室顶板厚不宜小于 160mm，地下室具有较大的层间刚度，同时地下室外墙周边土也提供了很大的侧向刚度和约束。因此设地下室有利于上部结构的整体稳定，有利于协调结构整体变形，调整地基不均与沉降。 2.2 地下室顶板作为结构底部嵌固层时设计问题 当地下室顶板作为结构底部嵌固层的时候，应该要能约束结构底部的平动和转动，故必须要满足下列条件：1）地下室顶板与室外高差不宜过大，宜小于 1/3 层高。2）地下
6、室的楼层剪切刚度不小于相邻上部结构楼层剪切刚度的 2 倍。这里需指出的是，高规 4.8.5 条规定，抗震设计的高层建筑当地下室顶板作为上部结构的嵌固层时，地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的 1.1 倍。规范规定此条的目的是保证柱端塑性铰出现在地下室顶部柱端。由于地下结构的地震、作用效应较小，即使在地下室柱与地上一层柱配筋相同时，柱端塑性铰通常也出现在地下室顶部。按规范规定增大地下室柱配筋时，往往使得柱钢筋较密，不便施工。 2.3 框架柱截面大小选择问题 2.3.1 对于框架柱而言，轴压比越小在往复水平上荷载下的滞回曲线也会越丰满，即耗能能
7、力越大，延性就愈好。而对于柱净高与截面高度的比值小于 4 的短柱，在往复水平荷载作用下其滞回曲线呈较瘦的反 S形，耗能能力降低、延性较差，呈剪切破坏。高层建筑的底部柱，由于对轴压比值有要求，因此往往会将柱截面取得很大，但是由于受到层高的限制就使得框架柱成为了短柱。在实际的结构设计时，要确定截柱面的大小要注意以下几点：1)框架柱的截面首先必须满足规范轴压比的需要，从而为结构的竖向承载力和底板的抗冲切承载力提供保障。而对于形成的短柱，则可以通过增加体积配箍率或是沿着柱身增加箍筋达到提高延性的效果。2)采用钢管混凝土柱、劲钢混凝土柱或是高强混凝土柱。3)柱的轴压比必须满足规范限制，轴压比过大则结构的
8、延性无法得到保证，过小又会造成结构的经济技术指标较差。 2.3.2 在同一楼层内的各个柱的截面差异要尽可能小，保证每个柱的刚度相等。在实际的高层建筑中，有些是根据柱负荷面积来选择柱截面大小的，中柱截面较大角柱截面较小，导致在同一楼层特别是建筑底部会长短柱都存在的现象。一旦遭遇地震，很容易因构建刚度和受力大小的不同而遭到破坏。因而在高层建筑中，应该尽量的三排柱结构设计方案。 2.3.3 在框筒体系或是框架体系中，角柱的受力应该比别的柱差。这主要是因为：1）在双向刚接框架中，由于受到重力荷载作用，角柱已经处在双向受弯状态。2)在高层建筑中，由于水平荷载会引起较大的倾覆力矩，当框架整体弯曲时，角柱会
9、承受较大的附加轴力。3)建筑结构的刚心和质心是不可能达到完全的重合的，在结构的扭转振动过程中，角柱会产生相对较大的侧移。因此，为了防止角柱遭遇扭转变形或是弯压变形吗，柱截面不宜过小，同时还要加密箍筋，起到增加受压区混凝土约束的作用。 2.4 剪力墙连梁设计问题 2.4.1 在高层建筑结构设计中，与剪力墙相连并且允许开裂可作刚度折减的梁称作连梁。在剪力墙结构中，诸多的因素会制约连梁的设计，相连墙肢刚度和连梁跨高比等因素也会影响连梁的内力和结构抗侧力刚度。联系墙肢的连梁，不仅会影响剪力墙的受力，而且其本身的受力条件也比较复杂。一旦连梁遭到了破坏，会造成连肢墙的各墙肢之间失去约束，变成几个单独受力的
10、墙体，会加大整片剪力墙的水平位移，降低剪力墙的承载力。相关的试验表明，连梁设计在连肢墙中是非常重要的，连梁的破坏最终会导致剪力墙承载能力的丧失。 2.4.2 按照建筑抗震设计规范的要求，最好选用跨高比较大的连梁，按常规设计方法配筋，进行截面抗剪设计，减少其剪切破坏，保证连梁的延性。一般来说，连梁较大的剪切变形会导致斜裂缝，这些斜裂缝在反复荷载作用下会变成沿梁跨的对角线状，使连梁的抗剪能力减弱。为了避免剪切破坏，连梁需具有足够数量的抗剪箍筋和截面尺寸。 2.4.3 如果连梁跨高比较小而刚度较大，吸收的地震力比较多，就会造成连梁超筋，连梁的约束弯矩和剪力过大，导致连梁抗剪能力无法满足规范对连梁剪压
11、比的限值，连梁遭遇脆性破坏。在剪力墙结构设计中，必须坚持的原则就是强墙弱连梁，对连梁的刚度要进行折减，降低其抗弯能力。如果折减后，连梁的抗剪能力仍然无法满足剪压比限制时，可以采取调整剪力墙墙肢内力、设置斜撑、双连梁等措施解决问题 2.5 悬挑梁高度选用问题 目前，建筑结构设计师会经常忽略对梁挠度的计算。梁高选用比较小，造成梁截面的受压区的应力过高，在正常的使用状态之下，梁截面的受压区产生非线性徐变。伴随着时间的推移，梁挠度渐渐加大。挑梁的变形导致了梁板裂缝，由于挑梁变形的不断扩大，裂缝的宽度也随之加宽，这样就直接影响了建筑物的正常使用情况。即挑梁变形进一步发展，梁支座截面上部受拉区经常会出现跨
12、比较大的竖向裂缝。受支座附近的剪弯作用影响，竖向的裂缝不断向下延伸成为斜裂缝，这个时候梁已经接近毁坏。裂缝在梁支的座位置斜向延伸，缝越靠上宽度越大。挑梁截面过于窄小对建筑结构的抗震效果影响很大。悬挑结构对非水平地震的作用极为敏感。当梁高相对而言较小时，梁截面对应的受压区高度也是比较大的，但梁的延性是比较小的，在竖向地震作用力之下容易产生断裂，从而失去了原有的承载力。 3 结束语 在高层建筑结构设计工作中,建筑结构设计人员必须要正确认识自己工作的重要性,明确自己的责任,提高对结构设计质量安全问题的辨别能力,不断积累高层建筑结构设计的工作经验,通过我们高层建筑设计人员的集体努力，使建筑结构设计工作行业逐步步入正轨,使高层建筑物的设计更安全、更合理。
