高层建筑结构特点及设计问题

2022-04-14袁钰程

建材发展导向 2022年7期

袁钰程

（山西中方森特建筑工程设计研究院有限公司，山西太原 030002）

高层建筑具有空间面积大、功能种类繁多的特征，在建筑结构设计中存在较多问题，设计难度不断增加。为保证高层建筑质量，提高使用价值，有必要对高层建筑结构设计予以深入分析，结合设计中现存问题给出科学有效的解决方案，以改进建筑质量，为现代化建筑行业的可持续发展贡献力量。

1 高层建筑结构特点

1.1 水平荷载

水平荷载关系着高层建筑结构的稳定性。高层建筑具有楼层高的特点，这使得该建筑对于荷载设计的要求相对较高。与普通建筑相比，高层建筑还具有重量大的特征，结构承载的弯矩值和竖向轴力值相对较大，且随着高度的增加，这些数值还会不断增长。为此，在设计中需要对水平荷载予以科学设计，以确保结构的稳定性，避免变形问题的产生。另外，在高层建筑竖向荷载不变的情况下，水平荷载处理的科学性与否将直接关系着建筑的抗震性能。鉴于此，要对水平荷载加以重点关注，以保证高层建筑的质量。

1.2 侧移

相较低层建筑来说，科学设计结构侧移对于提高建筑结构稳定性具有重要意义。在水平荷载作用下，结构侧移需要控制在一定的标准范围内，这样才不会因为建筑楼层的不断升高，加剧结构变形，进而出现侧移危险，降低建筑结构稳定性。且变形问题达到一定参数后，还可能引发坍塌事故，威胁人们的生命财产安全。常见结构侧移如下图1所示。

图1 框架结构侧移曲线

1.3 轴向变形

高层建筑因为楼层较高，竖向荷载相对较大，一旦出现变形问题会引起连续梁弯矩现象，进而对连续梁结构带来较大威胁，且随着弯矩变形的加剧，会破坏周边结构的承载能力。为此，要展开轴向变形的的监督和处理作业，准确掌握变形情况，找到问题所在，进而制定有针对性的解决措施，保障建筑结构质量。

1.4 延性

高层建筑结构设计中柔性特点相对突出，这使得建筑在地震作用力下出现不同程度的结构变形问题。为抵抗结构变形带来的危险，减少外界不良冲击对建筑结构的影响，需要对建筑结构实行优化调整，以增强建筑的延性能力。

2 高层建筑结构设计的原则

2.1 科学选择计算简图

计算简图作为高层建筑结构设计的重要依据和参照，一旦出现问题会使得高层建筑结构设计出现较多不合理问题，甚至引发安全事故。为此，设计中要对计算简图加以严格把控。合理选择构造方法，建筑结构设计的节点不应局限在铰节点或钢节点，而应该以减小误差为目的选择合理的构造方法，需将计算简图控制在规定范围内。

2.2 科学规划基础结构

基础设计是高层建筑结构设计的前提，同时也是提高建筑结构稳定性的关键。基础设计前，设计人员需先对现场展开勘察，了解地质环境特征，掌握地下水位特点，给出精准数据资料，保证设计内容的合理性。在此基础上，设计人员还需要重点考虑到主体结构特点，对于荷载分布状况予以评估，同时还需要兼顾周围既有构筑物，了解其可能对于基础结构带来的干扰。在明确这些影响因素后就可以规划基础结构，并且从中选出最为合适的方案计划落实到实际作业中，确保基础结构的质量。

2.3 科学选择结构方案

结构方案不仅要保证建筑结构体系及结构形式的标准性、可靠性，还需满足经济性的基本要求，降低资金成本的过多支出。合理的结构方案，需要确保内部受力及传力的科学性，以免建筑受外界影响，加强结构的稳定性和安全性。相同的结构单元选用的应当是相同的结构体系。为了最终选择恰当结构方案，往往还需要综合考虑到项目所处区域的地理条件、造价要求、技术要求以及材料要求等因素，由此更好提升其可行性效果。

2.4 计算结果准确性

现阶段，高层建筑结构设计中已经广泛应用计算机技术、信息技术，但因为使用的计算机软件不同，在模型构建、数据计算中得出的结果也会存在一定差异，这时要求设计人员展开细致分析，科学选择软件种类，以保证计算结果的准确性，提高结构设计水平。此外，尽量避免在使用软件过程中出现人工输入错误，且高度重视软件本身缺陷造成的计算误差现象。结构设计工程师应在得到计算结构之后展开复核，确保计算结构的正确、合理，如图2。

图2 高层建筑设计模型

3 高层建筑结构设计中的常见问题

3.1 扭转

在高层建筑设计中，一旦出现偏离的情况，在水平力作用下，高层建筑会存在扭转问题，造成相应建筑物难以安全使用。三心在高层建筑设计中占据着重要位置，三心偏离也就说明建筑结构的承载性能发生偏移，会加大危险事故发生风险。

3.2 嵌固端设计问题

高层建筑结构体系中嵌固端同样不容忽视，该方面的问题同样也会产生严重危害，具体表现如下：1）位置不当。设计人员在嵌固端的应用中没有考虑到地下室顶板的刚度状况，嵌固端与地下室顶板之间存在一定的缝隙夹层，留下安全隐患；2）当将嵌固端设置在局部错层地下室顶板位置中时，因为未按照标准规范对固定端实行固定处理，呈现出入口结构，埋下安全隐患。该情况的出现可能是因为设计人员未理解实际作业内容导致的。

3.3 抗震结构设计不合理

高层建筑结构设计中，抗震结构设计是非常重要的一项内容，我国作为板块交接地带，板块运动较为强烈，这使得地震灾害也变得越来越频繁，再加上开挖、生产作业的开展，地震带来的破坏力大大增加。为改善建筑结构质量，保障人们的生命安全，做好抗震设计是非常必要的。但就目前情况来看，设计人员对于抗震设计的重视力度不高，设计后的抗震性能很难对高层建筑加以保护。同时，抗震设计模型与实际结构存在一定的差距，抗震设计结果与真实模型抗震性能存在较大出入。或者是在抗震设计中，采用的地震水准仪精度不够，无法满足抗震要求，结构抗震设计存在安全隐患。

4 完善高层建筑结构设计的有效策略

4.1 扭转问题的处理和控制

1）平面宽度的科学设置，对于规模较小的高层建筑，设计人员应该优先选用框架结构。如果建筑条件不允许，可采取添加抗侧力刚度的方式来增强建筑结构的稳定性，降低扭转问题出现的风险。在情况允许的条件下，设计人员还可在框架结构内增加框架柱，增加框架跨数，优化建筑结构的抗扭转性能，增大刚度。另外，对于小型高层建筑框架剪力墙结构来说，因为高度上的限制，会将剪力墙结构设置在电梯、楼梯等空间区域内，这就会使得建筑结构出现应力集中的现象，增加扭转问题出现的可能。为了有效解决该类问题，应该着重从剪力墙入手予以调整，尽量将其涉及到建筑结构外侧，避免中心部位大量增加剪力墙，促使框架剪力墙体系更为协调有序，杜绝扭转问题出现。

2）周期比把控，周期比的控制同样也可以形成扭转问题的防控，尤其是在结构抗扭转刚度控制方面具备重要价值，对抗扭转刚度进行科学调整，影响到抗扭转刚度及抗侧刚度，加强周期比设置的合理性。具体操作中：一方面设计人员需要结合工程特点增加剪力墙厚度，实现周期比的调整；另外一方面，还可以优化设置拉梁，由此促使拉梁在刚度系数理想的前提下，对于扭转问题形成良好防控。

3）周边抗侧力刚度的调整，在抗扭转性能优化中，除要采取科学有效的措施提高抗侧力结构性能外，还应该对周边抗侧力刚度加以科学调整和优化，提升整体结构的抵抗性能，避免扭转问题的出现。在实际操作中，设计人员可以从以下几方面入手：建筑结构设计中将单项剪力墙转变成成形剪力墙，并做好长度的延伸，同时注意不得开展转角窗的设计，以免引起突发问题；对剪力墙厚度实施加厚处理；增加周边剪力墙连梁的高度，并以此为基础，对楼板、下层门窗高度及间距等参数予以严格把控，优化周边结构质量。为从某种程度上增加高层建筑的剪力墙抗扭转刚度，可将楼面上、下方的高度部分演变成连梁，以便增加结构刚度，确保工程质量。

4.2 嵌固端问题的处理

高层建筑结构设计中，为保障参数计算准确性，需要先对嵌固端予以准确掌握，了解其位置状况，进而优化调整刚度以及承载力状况，避免塑性铰出现应用不当问题。嵌固端的具体应用如下。

1）高层建筑不设地下室，但是基础埋深较大；2）存在地下室，但基础形式以及层数不同。常用嵌固端的处理方式如下图3所示。

图3 嵌固端设计

如果是多层地下室结构的高层建筑，在设计过程中，通常会将嵌固端设置在地下室顶板位置上，但在设计中需要满足以下要求，以保证嵌固端的合理性，防止安全隐患的出现。

1）地下室顶板标高要与室外地坪标高一致，不能一致的也要尽量缩短高度差，高度差要求在地下一层高度的三分之一左右。

2）将地下室顶板设置成梁板体系结构，且不得存在较大的孔洞问题，增加楼面框架梁的抗弯刚度。

3）在地下室结构设计中，地下室顶板及楼层结构内需要使平面刚度及承载力在规定的标准范围内，这样设计是为保证地震发生时，地下室结构对地震作用力进行传导，降低对内部构件的影响。基于该方面要求，相应顶板应该设置厚度在180mm以上，同时选择C30以上的混凝土材料以及双层双向配筋方式，配筋率应该大于0.25%。

4）地下室结构除要具备承载上部结构的能力外，还需要对地震作用予以处理，这就要求设计中对楼层剪切刚度实行科学设计，确保其在上部结构剪切刚度的2倍以上。

5）在开展多塔大底盘地下室楼层剪切刚度比的计算过程中，大底盘地下室的整体刚度与总体刚度之间应当存在2倍的差值，而剪切刚度比则要求在1.5倍左右。

6）在开展地下室柱截面纵向钢筋面积的设计时，除要控制计算结果的准确性外，还需要展开对比分析工作，确保计算结果是地上一层纵向钢筋面积的1.5倍。

7）对于一些高层建筑来说，地下室结构通常会以车库形式为主，部分会进行顶板降板的设计，在这种情况下，无法在顶板上完成嵌固端的设置和安装，则需要结合现场具体情况，给出更加科学的处理方案。如地下室为三层或以上时，可将嵌固端设置在地下一层底板位置上，一方面严格按照规范标准开展设计作业，优化地下室结构质量，一方面还需对以下要求加以关注，符合后方可展开设计施工。首先是地下一层楼层剪切刚度要大于地上一层楼层剪切高度；其次，地下二层楼层剪切刚度应大于地下一层的楼层剪切刚度，且两者间存在的刚度差在2倍左右。

4.3 抗震结构设计

鉴于抗震性能的重要性，在高层建筑结构设计中，需要做到以下几点要求：在抗震墙处理过程中，如果发现截面长度较大，需要利用洞口的有利条件，将其设置成弱连梁，各墙段高宽比应大于3，同时墙体最好分成单肢和多肢墙，进一步提高抗震墙的抗变能力，避免剪力墙结构受到损坏。在水平作用力的影响下，剪力墙刚度会相应的有所增加，这就会使得连续梁设置中出现内力过大甚至超出荷载值的情况。为此在设计过程中，设计人员要尽可能的对连续梁刚度加以科学把控和处理，减少超载产生的危险。在砌体结构中抗震结构设计如下图4所示。

图4 气体结构抗震设计

以某建筑设计为例，该建筑面积在30万m左右，建筑高度100m，地下2层，层高控制在4m左右，地下一层为架空层，层高4.5m，2层到顶部为住宅区域，每层层高在3m左右。建筑内部，主楼以剪力墙结构为主，安全等级为2级，使用年限控制在标准的50年，抗震等级要求在5及以上。基本地震加速度要设置在0.05。通过对施工图纸及现场情况的对比分析可知，剪力墙底部为重要的承重区域，对于受力构件的要求较高，设计中需要展开该部分的强化处理，约束边缘构件，对轴压比、构造配筋率等予以严格把关，从而提升建筑结构的抗震等级，优化整体性能，保证高层建筑的安全性。