钢筋混凝土结构在高层建筑设计中的重点

摘 要：近年来,伴随我国城市经济的迅猛发展,高层建筑的建设数量也迅速增多.如今在结构工程师的设计工作中,高层建筑结构设计的占比也越来越多.文章结合笔者多年的工作经验,主要针对钢筋混凝土结构在高层建筑设计中的重点进行了分析和研究,以供建筑结构设计人员参考.

关 键 词：钢筋混凝土；高层建筑；结构设计；重点

1引言

对于目前来说,高层建筑钢筋混凝土结构主要采用框架、剪力墙、框架―剪力墙、筒体和板柱―剪力墙结构体系.下面根据笔者的多年工作经验以及对实际工程的总结,浅显地对钢筋混凝土结构在高层建筑设计中的重点进行了论述,仅供大家参考.

2钢筋混凝土结构在高层建筑设计中的原则

现在高层建筑的数量越来越多,相应的钢筋混凝土结构在高层建筑中也得到了广泛的应用.我们必须遵循一定的原则,在保证高层建筑钢筋混凝土结构的设计达到相关国家规范、规程规定的条文的同时,注意人们在设计、施工及使用维护阶段对高层建筑的安全性、耐久性及适用性的需求.高层建筑结构在规范规定的合理的使用年限内,不仅需要满足相应的建筑功能使用需求,而且应该可以承担各种有可能发生的自然或认为的紧急情况,这就使得建筑结构必须具有与之相符的适用性和耐久性；同时在建筑物发生可能的紧急情况之后,建筑结构也必须保证其安全性.

3钢筋混凝土结构在高层建筑设计中的重点分析

3.1建筑结构的概念设计

现在很多新入职甚至入职多年的结构工程师在建筑结构设计时陷入只依靠结构设计软件的误区,这是不正确的.为了保证建筑结构具有良好的抗震性能,我们应该从根本上重视建筑结构概念设计这种有效的方法.建筑师及结构师在建筑设计的过程中对相关规范和规程中的各项条文给予高度重视是建筑概念设计对我们的要求.尤其下列若干问题值得我们注意：

（1）在建筑结构设计中,应该优先采用具有良好抗风、抗震性能,而且造价合理经济的高层建筑结构体系.这就要求我们对建筑结构的合理性和建筑结构平、立面布置的规则性特别关注.高层建筑结构在竖向布置上应该有合理的刚度分布,与此同时在水平布置上也应有合理的承载力分布,这样不但能避免因局部位置突变而形成薄弱部位,而且使建筑具有较好的抗震、抗裂缝和抗变形的能力.

（2）由于水平地震作用是双向的,所以要求建筑结构在两个主轴方向上应具有相接近的动力特性,并且在建筑平面上结构沿两个主轴方向需要拥有必需的抗震性能和结构刚度.在高层建筑设计时,我们应该使建筑具有清晰明确的计算简图和合理有效的传递地震力的途径,这样就能使建筑结构在任意方向上都能够有效的抵抗地震作用.值得注意的是高层建筑结构除了水平刚度的需求外,还需要在抗扭转震动和抗扭刚度上达到相应的要求.另外,虽然我们可以考虑场地特征的影响来对高层建筑结构的刚度进行选择,以此来达到减小地震作用的目的,但是同时我们也应该看到这会使高层建筑结构的变形增大,高层建筑结构会因为P-Δ效应的过大而发生不必要的破坏.

（3）我们应该尽量避免由于平面凹角以及狭长的缩颈部位产生的应力集中,尤其是在相对比较独立的建筑结构单元中.凹角和端部应尽量避免设置楼、电梯间,结构体型在竖向上应尽量避免过急、过多的收进,同时应尽量避免外挑.高层建筑结构应沿建筑高度连续、均匀地分布水平承载力和结构刚度,以此减小地震作用下结构的扭转效应,同时避免在高层建筑中产生薄弱或者软弱部位,以及由于部分构件的破坏从而导致的结构整体丧失承载能力和抗震能力.根据具体项目的实际情况,我们应该对高层建筑的结构单元之间进行有效的分离或者牢固的连接,以此来使建筑结构体型更加合理.

3.2建筑结构的选型

（1）结构工程师在高层建筑设计过程中应尽量避免采用短肢剪力墙.什么是短肢剪力墙,《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中给予了明确的定义,短肢剪力墙是指墙肢截面高厚比在5～8的剪力墙.短肢剪力墙在高层建筑中有许多的限制和不便,这是在实际经验以及实验数据中得到证实的.因此为了在后期设计工作中避免增加不必要的麻烦,我们应该尽量减少或避免短肢剪力墙.

（2）钢筋混凝土结构在高层建筑设计中另一个重点是建筑结构的选择.在上部结构的变形限值能够满足的前提下,在一些地基基础相当稳定的地区可以尽量减小结构的刚度.对于规范中层间位移和顶点位移数值不是很合理的情况,我们采取相应的措施可以适当突破这些限值.同时规范规定在高层转换结构中,上下层转角的控制比值在1左右较为合理,转换层的上下刚度比公式宜做相应修改.另外水平加强层的设置会提高结构的侧向刚度,同时也会较大的增加外柱的剪力,这一点在设计工作中应慎重对待.

（3）规范中对于高层钢筋混凝土建筑的超高问题给出了相应的规定.在新规范中,除了将原来的建筑限制高度设定为高度外,新增加了B级高度的建筑设定.相应的建筑物应该控制在相应等级规定的范围之内,在建筑结构设计的过程中不可以超越其应属高度范围,如若超过,我们需要对设计以及施工做新的考量.在现实中此类问题曾经出现,应该引起大家的重视.

3.3结构的计算

（1）《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010/J186-2010）第3.9节条文对于确定普通高层建筑的抗震等级给予了明确规定,即与主楼连为整体的裙楼的抗震等级除应按裙房本身确定外,相关范围内也不应低于主楼的抗震等级.当上部结构的嵌固点位于地下室顶板时,地下一层主楼相关范围内的抗震等级与上部主楼的抗震等级应取同,地下一层以下主楼相关范围内的抗震等级可根据实际情况逐层降低一级,但不应小于四级.另外比较复杂的高层建筑还应符合高规第10章的相关规定.

（2）《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010/J186-2010）中对建筑结构振型的取值给予了明确的规定,结构的振型数与层数有很大关系.在计算分析阶段我们需要根据规范规程的相关规定对计算结果进行分析,以此来确定是否需要调整振型个数.（3）在高层建筑中,由于建筑外立面或者建筑功能的要求,建筑顶部常常存在一些非主体承重体系内的结构构件,对于这部分结构构件的设计和计算,我们按新规范中的有关规定应该对这部分结构构件增加有效的处理方法.因为高层建筑顶部的风荷载和地震作用较大,对于在其顶部的装饰或立面造型构件的设计要特别注意.

3.4建筑基础的设计

高层建筑的承载力对于不同的地基基础需要做不同的考虑,在高层建筑的基础设计中应尽量减少地震作用对建筑结构的影响,为此我们需要注意以下几点：

（1）当拟建建筑物所处地段地基情况良好时,且基础的埋深较大时,在方案阶段设计师应建议业主在主楼下做地下室.因为地下室可以有效地降低基础的附加应力,并且在提高地基的承载力的同时也可减小地震作用对上部主体结构的影响,这点对于周围已有建筑物时尤其明显.不应设局部地下室,且地下室应有相同的埋深.当地基承载力已达到设计要求时,为了利于地下室防水,基础底板可以不继续外沿,同时每隔30～40米应该设置一道后浇带,并使用微膨胀混凝土在两个月后进行浇注.

（2）当拟建建筑物周围已有建筑物时,新建建筑基础不宜深于周围已有建筑基础,这会是基础发生不必要的破坏.如若新建建筑基础深于已有建筑基础,两者基础间的净距与基础高差的比值不应小于二,否则应该采用打抗滑桩等措施防止新建建筑基础对已有建筑基础的破坏.当相邻建筑物的层数相差较大时,由于基地应力相差较大,我们应该在层数较低的建筑基础的中心区域内采用垫焦碴等地基处理方案来调整其基底应力.

（3）当地基较软或不均匀时,柱下扩展基础的宽度会很宽,有时会超过四米,此时我们可择优选用柱下条形基础,同时由于在结构节点处基础的底面积在两个方向上都做了重复利用,所以我们应该适当加宽柱下条形基础.另外当独立基础的偏心过大时,我们可把相邻建筑的基础一起做成柱下条形基础.值得注意的是,柱下条形基础的偏心也不宜过大,条件允许时可以做成一面自由、三面支承的基础底板.另外基础底版的形心和上部柱的荷载重心宜尽量重合,基础底板在条件允许时可做成台阶形、梯形.

4结语

综上所述,在高层建筑中钢筋混凝土结构应用日益增多的今天,其建筑结构设计的安全性、耐久性和适用性引起了人们的广泛关注.因此,为了满足人们对建筑的安全信任以及舒适度的需求,我们结构工程师应该在设计过程中不断优化结构方案,使建筑材料的力学特性得到有效充分的发挥,从而设计出结构优秀稳定的建筑,以此满足人们日益丰富的生活需求.文中提到的诸多细节和重点正是我们需要特别注意的.