簡要分析高層結構設計問題

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引言

　高層建筑目前在我們的城市建設當中所占的比例是越來越大，而建筑結構設計方面的變化也越來越多，很多新興的結構設計方案以迅猛的速度呈現(xiàn)在我們的城市建設中。建筑類型與功能越來越復雜，高層建筑的數(shù)量口漸增多，高層建筑的結構體系也是越來越多樣化，高層建筑結構設計也越來越成為高層建筑結構工程設計工作的難點與重點。面對如此形勢，應該把高層建筑的結構設計放在首位加以研究。   1. 結構受力性能   對于一個建筑物的最初的方案設計，建筑師考慮更多的是它的空問組成特點，而不是詳細地確定它的具體結構。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構件所組成，因此結構必須能將它本身的重量傳至地面，結構的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關系，所以，在建筑設計的方案階段，就必須對主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設想。對于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結構體系的設計基本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加，豎向結構體系成為設計的控制因素，其原因有兩個：其一，較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒；其二，側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比，側向荷載對建筑物的效應不是線性增加的，而隨建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有條件相同時，在風荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應更加明顯。在高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，高層建筑的結構受力性能與低層建筑有很大的差異。   2.結構選型問題   對于高層結構而言，在工程設計的結構選型階段，應該注意以下幾點： 2.1結構體系的選擇   多高層結構體系主要有框架結構；剪力墻結構，包括部分框支—剪力墻結構、框架—剪力墻結構。高層建筑有筒體結構，包括框架—核心筒結構、筒中筒結構；復雜高層結構，包括帶加強層和剛臂的結構、錯層結構、連體結構、多塔結構等，多高層建筑結構應根據房屋高度、高寬比、抗震設防類別、抗震設防烈度、場地類別、結構材料和施工技術條件等因素，選擇適宜的結構體系。 2.2結構的超高問題   在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結構的總高度都有嚴格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為 A 級高度的建筑外，增加了 B 級高度的建筑，因此，必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為 B 級高度建筑或超過了 B 級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中，出現(xiàn)過由于結構類型的變更而忽略該問題，導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當巨大。 2.3嵌固端的設置問題   由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協(xié)調等等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。 2.4短肢剪力墻的設置問題   在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為 5~8的墻定義為短肢剪力墻，且根據實驗數(shù)據和實際經驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設計中，結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。 2.5結構的規(guī)則性問題   新舊規(guī)范在這方面的內容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案。”因此，結構工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。   3. 地基與基礎設計問題   地基與基礎設計一直是結構工程師比較重視的方面，不僅僅由于該階段設計過程的好與壞將直接影響后期設計工作的進行，同時，也是因為地基基礎是整個工程造價的決定性因素，因此，在這一階段，所出現(xiàn)的問題也有可能更加嚴重甚至造成無法估量的損失。在地基基礎設計中要注意地方性規(guī)范的重要性問題。由于我國占地面積較廣，地質條件相當復雜，作為國家標準，僅僅一本《地基基礎設計規(guī)范》無法對全國各地的地基基礎都進行詳細的描述和規(guī)定，因此，作為建立在國家標準之下的地方標準。地方性的“地基基礎設計規(guī)范”能夠將各地方的地基基礎類型和設計處理方法等一些成熟的經驗描述和規(guī)定得更為詳細和準確，所以，在進行地基基礎設計時，一定要對地方規(guī)范進行深入地學習，以避免對整個結構設計或后期設計工作造成較大的影響。   4.抗震設計計算問題 4.1高層剪力墻中連梁的設計   連梁是與剪力墻墻肢相連的梁，當遇到水平地震作用時,連梁可以耗散水平地震作用能量,減輕墻肢的破壞程度。在墻肢和連梁的協(xié)同作用中，剪力墻應該具有足夠的剛度和強度。在正常的使用荷載和風荷載作用下，結構應該處于彈性工作狀態(tài)，連梁可以產生塑性鉸。因此，剪力墻的設計應該保證不發(fā)生剪切破壞，也就是要求墻肢和連梁的設計符合強剪弱彎的原則，同時要求連梁的屈服要早于墻肢的屈服，而且要求墻肢和連梁具有良好的延性。根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》的規(guī)定：“在內力與位移的計算中，所有構件均可采用彈性剛度，在框架-剪力墻結構中，連梁的剛度可予以折減，折減系數(shù)不應小于0.55。”一般在實際設計中我們在0.55-1之間取值，以符合截面設計的要求。 在連梁設計中，剛度折減后，仍可能發(fā)生連梁正截面受彎承載力或斜截面受剪承載力不夠的情況，這時可以增加洞口的寬度，以減少連梁的剛度。減少了結構的整體剛度，也就減少了地震作用的影響，使連梁的承載力有可能不超限。如果只是部分連梁超筋或超限，則可采取調整連梁內力來解決。調整的幅度不宜大于20%，且連梁必須滿足“強剪弱彎”的要求。 4.2高層結構計算模型的確立一定要符合所用計算程序的邊界條件，要使結構模型與實際情況相符合。在計算完畢后，設計人員應對結構分析軟件的計算結果進行分析判斷，確認其合理，有效后方可作為工程設計的依據。 5.結語 　近些年來，我國的高層建筑建設發(fā)展迅速。但從設計質量方面來看，并不理想。在高層建筑結構設計中，結構工程師不能僅僅重視結構計算的準確性而忽略結構方案的具體實際情況，應作出合理的結構方案選擇。高層建筑結構設計人員應根據具體情況進行具體分析掌握的知識處理實際建筑設計中遇到了各種問題。