陳波

南充綠地申川置業(yè)有限公司，中國·四川 南充 637000

1 引言

現(xiàn)階段，高層建筑已經(jīng)成為中國各城市中的一大主要的建筑形式，這類建筑在緩解城市用地緊缺、解決居民辦公居住需求等方面發(fā)揮出了重要作用。與中低層建筑相比，高層建筑規(guī)模大、高度高，因而建筑結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，建筑設(shè)計(jì)與施工難度均相對較大。下面結(jié)合實(shí)際，就高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題做以下具體分析。

2 高層住宅結(jié)構(gòu)體系

目前中國各地的高層建筑普遍采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系多采用框架剪力墻、剪力墻等。下面就這兩種結(jié)構(gòu)體系做簡要分析。

2.1 框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系

建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)由兩大部分構(gòu)成，分別是框架與剪力墻。在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻主要承受水平荷載，框架主要承受豎向荷載，框架與剪力墻分工明確，受力合理，有效維護(hù)了建筑的穩(wěn)定性與安全性。因此，框架剪力墻結(jié)構(gòu)目前在高層建筑中應(yīng)用的比較廣泛，中國各地25層以下的建筑物多使用該種結(jié)構(gòu)體系[1]。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)體系使用的是鋼筋混凝土墻板，在高層建筑中，使用鋼筋混凝土墻板代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，使建筑有較好的抗震能力、抗荷載能力，讓建筑結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定（見圖1）。研究與實(shí)踐證明，剪力墻結(jié)構(gòu)體系的剛度要大于框架剪力墻結(jié)構(gòu)，因此其的適用范圍也更廣?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)多適用于25層以下的建筑，而剪力墻可以用于40層以下的高層建筑[2]。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)圖

3 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

相較于中低層住宅建筑，高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度要更大。這是因?yàn)?，?dāng)建筑高度越大時(shí)，其的受力也就更加復(fù)雜，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素就更多。研究表明，高層住宅建筑不僅受到水平荷載與豎向荷載的共同作用，而且側(cè)向位移也會(huì)隨著建筑高度的增加而增加。當(dāng)建筑側(cè)向位移過大時(shí)，建筑底部彎矩也就會(huì)超出正常范圍，進(jìn)而導(dǎo)致建筑的安全性與穩(wěn)定性大大降低[3]。因此，在進(jìn)行高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須基于專業(yè)知識(shí)，結(jié)合建筑所在環(huán)境特征綜合考慮建筑受力情況，建立與之對應(yīng)的結(jié)構(gòu)剛度體系，從而保證建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要嚴(yán)格遵循簡單、對稱、平面規(guī)則等原則進(jìn)行布置，要避免出現(xiàn)平面形狀不規(guī)則的情況。這是因?yàn)?，?dāng)建筑平面形狀不規(guī)則，那么建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的可能性就會(huì)更大。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體系時(shí)，應(yīng)合理控制剪力墻數(shù)量，盡量減少剪力墻結(jié)構(gòu)的布置，可選用大開間的剪力墻結(jié)構(gòu)布置方案。設(shè)計(jì)時(shí)對樓層間的剪力系數(shù)進(jìn)行控制，不能使其超出規(guī)范的極限范圍。設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整剪力墻結(jié)構(gòu)連續(xù)跨高比，將該指標(biāo)控制在2.5。

3.2 高寬比控制

高層住宅建筑體形龐大，一些復(fù)雜部位難以進(jìn)行精確計(jì)算，因此在進(jìn)行高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要根據(jù)建筑高度科學(xué)選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，另一方面還需要運(yùn)用概念設(shè)計(jì)進(jìn)行精準(zhǔn)分析。

在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確把握以下要點(diǎn)：

①建筑的高寬比影響建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能力，當(dāng)建筑高寬比增大時(shí)，結(jié)構(gòu)側(cè)向變形能力也就會(huì)越強(qiáng)，進(jìn)而傾覆力矩會(huì)更大。因此，在設(shè)計(jì)過程中要對建筑的高寬比做合理限制[4]。在高層建筑結(jié)構(gòu)中，高寬比是可以作為一個(gè)宏觀控制指標(biāo)來對結(jié)構(gòu)形體的合理性作出判斷。在建筑形體要求特定的情況下，當(dāng)高寬比指標(biāo)與限值接近或超過限值，就應(yīng)當(dāng)結(jié)合剪重比、層間位移角等對結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的分析。同時(shí)為了使建筑結(jié)構(gòu)的高寬比合理，就可在設(shè)計(jì)階段對建筑層間位移角進(jìn)行控制，使層間位移角與規(guī)范最低要求相比有一定的余量。

②在設(shè)計(jì)時(shí)對建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、整體的抗傾覆性進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果控制基礎(chǔ)邊緣確保不會(huì)出現(xiàn)負(fù)應(yīng)力。在設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)實(shí)際情況對建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)構(gòu)件剛度做適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，使結(jié)構(gòu)剪重比指標(biāo)合理。

3.3 抗側(cè)力體系布置

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮好建筑抗震減震問題，要能通過優(yōu)化建筑平面設(shè)計(jì)、剛度設(shè)計(jì)等提高建筑抗震能力，減少地震對建筑的損害。研究與實(shí)踐證明，對于高層住宅建筑來說，如果建筑結(jié)構(gòu)的剛度不夠均勻、平面布置不夠合理、屋頂存在局部突出或者是高低錯(cuò)層連接、建筑高度方向剛度突變，那么均會(huì)導(dǎo)致建筑抗震減震的能力降低。因此，在設(shè)計(jì)過程中，要能夠根據(jù)高層住宅建筑的體積、高度、形態(tài)等特征采取有效措施對抗側(cè)力體系進(jìn)行控制。具體來說在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員要能做到以下幾點(diǎn)：

①進(jìn)行建筑平面布置時(shí)，要盡可能對稱布置，減少平面形狀復(fù)雜、不規(guī)則、不對稱等情況。

②在設(shè)計(jì)過程中要合理控制建筑結(jié)構(gòu)剛度中心與水平力作用點(diǎn)的關(guān)系，避免出現(xiàn)較大的偏心距[5]。

3.4 豎向結(jié)構(gòu)布置

在設(shè)計(jì)高層住宅建筑的豎向結(jié)構(gòu)時(shí)，一般是要遵循剛度連續(xù)均勻的原則，不能出現(xiàn)剛度突變，要全面保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。設(shè)計(jì)人員在布置豎向結(jié)構(gòu)時(shí)，要提前對一些可能發(fā)生的問題進(jìn)行考慮并做好預(yù)防。如結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，在結(jié)構(gòu)豎向布置環(huán)節(jié)極有可能出現(xiàn)薄弱層，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性降低?；诖?，在設(shè)計(jì)時(shí)就要使豎向剛度由上到下均勻、連續(xù)變化，避免出現(xiàn)突變。除了剛度突變外，在豎向結(jié)構(gòu)布置環(huán)節(jié)也容易出現(xiàn)“鞭梢效應(yīng)”，設(shè)計(jì)人員也需做好預(yù)防與處理。對高層住宅建筑的震害做深入分析可知，建筑結(jié)構(gòu)上的薄弱層、剛度突變的部位等都是非常容易出現(xiàn)震害的地方，在設(shè)計(jì)過程中就需要通過調(diào)整或優(yōu)化結(jié)構(gòu)來提升建筑整體的抗震性，如對某高層住宅建筑，底部采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，在建筑四五層時(shí)使用梁式結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以此提升建筑整體的抗震能力[6]。

3.5 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也是高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一部分重要內(nèi)容，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)對建筑整體的穩(wěn)定性、耐久性產(chǎn)生很大影響，因此必須提高重視。在進(jìn)行基礎(chǔ)部分的設(shè)計(jì)時(shí)，一是要通過全面的勘察掌握該地水文地質(zhì)條件，了解土壤類型特征，提前發(fā)現(xiàn)一些不利于建筑施工的因素，如軟土層等，并做好處理，從根本上提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。二是在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際的土壤、巖層條件來合理選擇深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，防止建筑基礎(chǔ)部分出現(xiàn)變形、沉陷等問題。

3.6 地下室設(shè)計(jì)

地下室設(shè)計(jì)是高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要高度樹立質(zhì)量意識(shí)與安全意識(shí)，結(jié)合工程實(shí)際情況做好地下室防滲漏、抗浮設(shè)計(jì)等各項(xiàng)工作，確保地下室在建成后能正常使用。高層住宅建筑的地下室工程一般具有層數(shù)多、結(jié)構(gòu)長等特點(diǎn)，因此可嘗試采用預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋，對地下室負(fù)一層頂板使用具有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力砼無梁樓蓋，其余部分采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力砼無梁樓蓋。這一設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是，能減少地下室開挖深度，減少工作量并降低施工難度與施工成本，同時(shí)也能對地下室混凝土裂縫問題進(jìn)行預(yù)防（地下室混凝土裂縫問題一般是由地下室超長結(jié)構(gòu)的混凝土收縮引起）。除此之外，為保證地下室使用過程中的安全，要對地下室底板采取抗浮措施，可以采用抗浮錨桿來解決地下室抗浮需求。

4 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

4.1 建筑結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)化

在進(jìn)行高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一些設(shè)計(jì)人員容易忽視結(jié)構(gòu)的耐久性優(yōu)化問題，導(dǎo)致建筑難以達(dá)到規(guī)定的使用年限，不僅造成能源資源的巨大浪費(fèi)，而且也使居住者的人生安全與財(cái)產(chǎn)安全得不到保障。因此，在設(shè)計(jì)活動(dòng)中必須要做好建筑結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

①設(shè)計(jì)時(shí)要對建筑所在的環(huán)境做全面的勘察與分析，明確環(huán)境中對建筑不利的因素，然后有效規(guī)避，將外部環(huán)境對建筑的負(fù)面影響降到最低。

②在設(shè)計(jì)過程中要能科學(xué)處理建筑受力、建筑高度與水平位移等要素，要保證建筑結(jié)構(gòu)受力均勻，安全穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)階段，要結(jié)合實(shí)際情況科學(xué)均衡建筑主體、裙房以及頂部的尺度關(guān)系，使建筑能較好的融入到環(huán)境中。設(shè)計(jì)時(shí)，要能樹立整體性思想，通過對建筑高度、體積、結(jié)構(gòu)布局等的優(yōu)化有效提升建筑結(jié)構(gòu)的耐久性。

4.2 結(jié)構(gòu)細(xì)部優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要做好建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，而且要對各細(xì)部進(jìn)行優(yōu)化，如在設(shè)計(jì)現(xiàn)澆板時(shí)，要從安全性、經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行考慮，在確保建筑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上將異形板劃分為矩形板，通過這樣的調(diào)整讓建筑結(jié)構(gòu)的受力更加合理，也讓拐角部位不易出現(xiàn)裂縫。在設(shè)計(jì)底框梁箍筋時(shí)，可從環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等角度考慮將冷軋帶肋鋼筋運(yùn)用到高層住宅建筑結(jié)構(gòu)中，這樣既能降低施工難度，也能減少材料投入與成本支出，從而讓整體的設(shè)計(jì)效果更為理想。

4.3 建筑剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，最主要的點(diǎn)是把握好結(jié)構(gòu)中的連梁。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)可知，在設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)連梁鋼度增大的情況，而當(dāng)連梁剛度增大時(shí)，在地震作用下剪力墻結(jié)構(gòu)所需要承擔(dān)的作用力也會(huì)增大，這不利于建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)可將建筑中的連梁設(shè)計(jì)為剛度與截面較小的弱連梁，以此優(yōu)化整體的設(shè)計(jì)效果。

4.4 建筑抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化

抗震設(shè)計(jì)是高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一大重要內(nèi)容，抗震設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到建筑使用安全與人員安全。為此在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要加大對建筑抗震能力的研究。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)主要是利用主體結(jié)構(gòu)的剛度來抵抗地震波的沖擊。這種技術(shù)方法容易導(dǎo)致建筑主體結(jié)構(gòu)受損，從而使建筑可用年限縮短。因此，建議在設(shè)計(jì)時(shí)可通過運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)手段來提升超高層建筑的抗震性能，如在建筑中安裝消能裝置，利用消能裝置削減地震沖擊力以實(shí)現(xiàn)對建筑主體結(jié)構(gòu)的保護(hù)。此外在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要能嚴(yán)格依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定與要求進(jìn)行，確保建筑有較強(qiáng)的抗震能力。在具體的設(shè)計(jì)活動(dòng)中設(shè)計(jì)人員還需要按照“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保建筑結(jié)構(gòu)有較高的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

綜上所述，高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的復(fù)雜性、知識(shí)性與專業(yè)性，技術(shù)難度較大。在進(jìn)行高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要能結(jié)合工程實(shí)際情況，依據(jù)國家相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)做好建筑結(jié)構(gòu)體系、抗側(cè)力體系以及基礎(chǔ)工程等的設(shè)計(jì)，全面保證高層建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量。