淺談高層結構設計中相關問題
General 更新 2024年12月26日
摘要：目前，伴隨著高層建築在我國的飛速發展需求，建築高度的日益增加，建築型別以及功能也日新月異，難度相對而言逐漸變大。結構體系各式各樣，高層建築結構設計現在主要成為結構相關工程設計人員在設計工作重點和難點。下文主要針對高層建築結構設計中經常會出現的一些問題進行分析，總結了設計經驗，以達到保證建築的安全、延長其使用壽命的目的以及以後相關人員參考學習。
關鍵詞：基礎埋深；底部嵌固層；高寬比；不規則性；偏心距；開洞；樑高度
一、基礎埋深問題
基礎應該要有一定的埋深，埋置深度可以從室外地坪一直算到基礎底面，對於獨立的高層建築而言，基礎埋深比較容易確定，但當今多數高層建築與地下車庫都是相互連線的，當地下車庫基礎採用筏板基礎或設有防水底板的獨立基礎防水底板不宜太薄時，高層建築的基礎埋深可從室外地坪算起，此時高層建築地下室頂板及地下車庫頂板應按嵌固層要求設計，地下車庫應有足夠的側向剛度作為高層建築的側限。假如不滿足以上條件的時候，高層建築的基礎埋深應該要從地下車庫地面算起。高層建築通常設地下室來滿足埋深要求，主要有以下幾點優勢：
2．有利於高層建築上部結構的整體穩定。高層建築地下室外牆一般採用鋼筋礆牆，地下室頂板厚不宜小於160mm，地下室具有較大的層間剛度，同時地下室外牆周邊土也提供了很大的側向剛度和約束。因此設地下室有利於上部結構的整體穩定，有利於協調結構整體變形，調整地基不均與沉降。
二、地下室頂板作為結構底部嵌固層的條件
當地下室頂板作為結構底部嵌固層的時候，應該要能約束結構底部的平動和轉動，故必須要滿足下列條件：
2．地下室的樓層剪下剛度不小於相鄰上部結構樓層剪下剛度的2倍。這裡需指出的是，高規4.8.5條規定，抗震設計的高層建築當地下室頂板作為上部結構的嵌固層時，地下室柱截面每側的縱向鋼筋面積除應符合計算要求外，不應少於地上一層對應柱每側縱向鋼筋面積的1.1倍。規範規定此條的目的是保證柱端塑性鉸出現在地下室頂部柱端。由於地下結構的地震、作用效應較小，即使在地下室柱與地上一層柱配筋相同時，柱端塑性鉸通常也出現在地下室頂部。按規範規定增大地下室柱配筋時，往往使得柱鋼筋較密，不便施工。
三、房屋高寬比
房屋高度指室外地面至主樓主要屋面的高度。房屋寬度按所考慮方向的最小投影寬度作為建築物的計算寬度。
對帶裙房的高層建築，當裙房面積與其上塔樓面積比大於2.5或裙房抗側剛度與其上塔樓抗側剛度比大於2.0時，可取裙房以上部分的房屋高度和寬度計算高寬比。
四、建築結構不規則性界定
建築結構不規則性除應按高規4.3與4.4節的相關規定界定外，還需注意以下問題：
1．計算結構構件的最大位移比時應按剛性樓板假定。
2．當結構的位移比和週期比超規範規定時，說明結構的抗扭剛度相對結構的抗側剛度偏小，結構的扭轉效應較大。在結構抗側剛度較大，結構的層間位移滿足要求的情況下，可減小結構的抗側剛度，對樓層中部結構做減法，可取消、減短、減薄剪力牆，減小連樑高度等。當結構的抗側剛度較小，側移較大時，可對樓層周邊結構做加法，可增大周邊構件的剛度。對帶裙房高層建築，帶裙房部分樓層的位移比和週期比往往超規範規定。由於裙房高度不高，裙房樓層的絕對側移值很小，因此可不按高層建築的側移控制條件來要求裙房，即位移比可適當放寬。
3．對某些建築，因功能需要，下部幾層為大空間，上部為辦公或客房，隔牆較多，上下層剛度差別較大，此時剛度變化處的下一層宜指定為薄弱層，進行內力放大調整。
五、框架結構樑柱偏心距較大應採取的措施
框架結構樑柱偏心較大時，將導致節點核心區受剪面積減小，且樑端彎矩作用在節點上時出現扭矩。因此當樑柱偏心距大於柱截面在該方向寬度的1/4時，應採取措施。通常可加大梁寬或設定樑水平腋。當設定樑水平腋時，在樑柱節點處形成了較強的剛域，樑塑性鉸將外移。因此樑端箍筋加密區長度應與普通框架樑有所區別，水平加腋樑的樑端箍筋加密區長度應取普通框架樑箍筋加密區長度與加腋水平長度之和。
六、較長剪力牆的開洞問題
高規7.1.5條規定：“較長的剪力牆宜開設洞口，將其分成長度較為均勻的若干牆段，牆段之間宜採用弱連樑連線，每個獨立牆段的總高度與其截面高度之比不應小於2，牆肢截面高度不宜大於8m。”此條規定主要基於以下考慮：
1．提高剪力牆的延性，避免脆性破壞。牆段高寬比大於2時一般為彎曲破壞，牆段高寬比小於2時一般為剪下破壞。
2．避免單片剪力牆承擔過大的水平剪力而首先破壞，使得整個結構抗側力構件依次破壞。在某些工程設計中，設計人員往往將較長的剪力牆開結構洞，洞口較小，形不成弱連樑，此時的剪力牆為小開口剪力牆，仍具有很大的側向剛度，承擔的水平力很大，造成剪下脆性破壞。因此開結構洞時一定要開大洞，形成弱連樑，連樑跨高比宜大於6使得較長剪力牆開洞後形成兩個較獨立的牆肢。
七、懸挑樑的樑高度選用問題
現在，基本上建築結構設計師會經常忽略對樑撓度的計算。樑高選用比較小，造成樑截面的受壓區的應力過高，在正常的使用狀態之下，樑截面的受壓區產生非線性徐變。伴隨著時間的推移，樑撓度漸漸加大。挑樑的變形導致了樑板裂縫，由於挑樑變形的不斷擴大，裂縫的寬度也隨之加寬，這樣就直接影響了建築物的正常使用情況。即挑樑變形進一步發展，樑支座截面上部受拉區經常會出現跨比較大的豎向裂縫。受支座附近的剪彎作用影響，豎向的裂縫不斷向下延伸成為斜裂縫，這個時候樑已經接近毀壞。裂縫在樑支的座位置斜向延伸，縫越靠上寬度越大。挑樑截面過於窄小對建築結構的抗震效果影響很大。懸挑結構對非水平地震的作用極為敏感。當樑高相對而言較小時，樑截面對應的受壓區高度也是比較大的，但樑的延性是比較小的，在豎向地震作用力之下容易產生斷裂，從而失去了原有的承載力。
結語
在今後的工作中,建築結構設計人員需要重新認識自己工作的重要性,明確自己的責任,提高對結構設計質量安全問題的辨別能力,積累結構設計的工作經驗,使建築結構設計工作行業逐步步入正軌,使建築物的設計更安全、更合理。
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關鍵詞：基礎埋深；底部嵌固層；高寬比；不規則性；偏心距；開洞；樑高度
一、基礎埋深問題
基礎應該要有一定的埋深，埋置深度可以從室外地坪一直算到基礎底面，對於獨立的高層建築而言，基礎埋深比較容易確定，但當今多數高層建築與地下車庫都是相互連線的，當地下車庫基礎採用筏板基礎或設有防水底板的獨立基礎防水底板不宜太薄時，高層建築的基礎埋深可從室外地坪算起，此時高層建築地下室頂板及地下車庫頂板應按嵌固層要求設計，地下車庫應有足夠的側向剛度作為高層建築的側限。假如不滿足以上條件的時候，高層建築的基礎埋深應該要從地下車庫地面算起。高層建築通常設地下室來滿足埋深要求，主要有以下幾點優勢：
2．有利於高層建築上部結構的整體穩定。高層建築地下室外牆一般採用鋼筋礆牆，地下室頂板厚不宜小於160mm，地下室具有較大的層間剛度，同時地下室外牆周邊土也提供了很大的側向剛度和約束。因此設地下室有利於上部結構的整體穩定，有利於協調結構整體變形，調整地基不均與沉降。
二、地下室頂板作為結構底部嵌固層的條件
當地下室頂板作為結構底部嵌固層的時候，應該要能約束結構底部的平動和轉動，故必須要滿足下列條件：
2．地下室的樓層剪下剛度不小於相鄰上部結構樓層剪下剛度的2倍。這裡需指出的是，高規4.8.5條規定，抗震設計的高層建築當地下室頂板作為上部結構的嵌固層時，地下室柱截面每側的縱向鋼筋面積除應符合計算要求外，不應少於地上一層對應柱每側縱向鋼筋面積的1.1倍。規範規定此條的目的是保證柱端塑性鉸出現在地下室頂部柱端。由於地下結構的地震、作用效應較小，即使在地下室柱與地上一層柱配筋相同時，柱端塑性鉸通常也出現在地下室頂部。按規範規定增大地下室柱配筋時，往往使得柱鋼筋較密，不便施工。
三、房屋高寬比
房屋高度指室外地面至主樓主要屋面的高度。房屋寬度按所考慮方向的最小投影寬度作為建築物的計算寬度。
對帶裙房的高層建築，當裙房面積與其上塔樓面積比大於2.5或裙房抗側剛度與其上塔樓抗側剛度比大於2.0時，可取裙房以上部分的房屋高度和寬度計算高寬比。
四、建築結構不規則性界定
建築結構不規則性除應按高規4.3與4.4節的相關規定界定外，還需注意以下問題：
1．計算結構構件的最大位移比時應按剛性樓板假定。
2．當結構的位移比和週期比超規範規定時，說明結構的抗扭剛度相對結構的抗側剛度偏小，結構的扭轉效應較大。在結構抗側剛度較大，結構的層間位移滿足要求的情況下，可減小結構的抗側剛度，對樓層中部結構做減法，可取消、減短、減薄剪力牆，減小連樑高度等。當結構的抗側剛度較小，側移較大時，可對樓層周邊結構做加法，可增大周邊構件的剛度。對帶裙房高層建築，帶裙房部分樓層的位移比和週期比往往超規範規定。由於裙房高度不高，裙房樓層的絕對側移值很小，因此可不按高層建築的側移控制條件來要求裙房，即位移比可適當放寬。
3．對某些建築，因功能需要，下部幾層為大空間，上部為辦公或客房，隔牆較多，上下層剛度差別較大，此時剛度變化處的下一層宜指定為薄弱層，進行內力放大調整。
五、框架結構樑柱偏心距較大應採取的措施
框架結構樑柱偏心較大時，將導致節點核心區受剪面積減小，且樑端彎矩作用在節點上時出現扭矩。因此當樑柱偏心距大於柱截面在該方向寬度的1/4時，應採取措施。通常可加大梁寬或設定樑水平腋。當設定樑水平腋時，在樑柱節點處形成了較強的剛域，樑塑性鉸將外移。因此樑端箍筋加密區長度應與普通框架樑有所區別，水平加腋樑的樑端箍筋加密區長度應取普通框架樑箍筋加密區長度與加腋水平長度之和。
六、較長剪力牆的開洞問題
高規7.1.5條規定：“較長的剪力牆宜開設洞口，將其分成長度較為均勻的若干牆段，牆段之間宜採用弱連樑連線，每個獨立牆段的總高度與其截面高度之比不應小於2，牆肢截面高度不宜大於8m。”此條規定主要基於以下考慮：
1．提高剪力牆的延性，避免脆性破壞。牆段高寬比大於2時一般為彎曲破壞，牆段高寬比小於2時一般為剪下破壞。
2．避免單片剪力牆承擔過大的水平剪力而首先破壞，使得整個結構抗側力構件依次破壞。在某些工程設計中，設計人員往往將較長的剪力牆開結構洞，洞口較小，形不成弱連樑，此時的剪力牆為小開口剪力牆，仍具有很大的側向剛度，承擔的水平力很大，造成剪下脆性破壞。因此開結構洞時一定要開大洞，形成弱連樑，連樑跨高比宜大於6使得較長剪力牆開洞後形成兩個較獨立的牆肢。
七、懸挑樑的樑高度選用問題
現在，基本上建築結構設計師會經常忽略對樑撓度的計算。樑高選用比較小，造成樑截面的受壓區的應力過高，在正常的使用狀態之下，樑截面的受壓區產生非線性徐變。伴隨著時間的推移，樑撓度漸漸加大。挑樑的變形導致了樑板裂縫，由於挑樑變形的不斷擴大，裂縫的寬度也隨之加寬，這樣就直接影響了建築物的正常使用情況。即挑樑變形進一步發展，樑支座截面上部受拉區經常會出現跨比較大的豎向裂縫。受支座附近的剪彎作用影響，豎向的裂縫不斷向下延伸成為斜裂縫，這個時候樑已經接近毀壞。裂縫在樑支的座位置斜向延伸，縫越靠上寬度越大。挑樑截面過於窄小對建築結構的抗震效果影響很大。懸挑結構對非水平地震的作用極為敏感。當樑高相對而言較小時，樑截面對應的受壓區高度也是比較大的，但樑的延性是比較小的，在豎向地震作用力之下容易產生斷裂，從而失去了原有的承載力。
結語
在今後的工作中,建築結構設計人員需要重新認識自己工作的重要性,明確自己的責任,提高對結構設計質量安全問題的辨別能力,積累結構設計的工作經驗,使建築結構設計工作行業逐步步入正軌,使建築物的設計更安全、更合理。
淺論橋樑設計中隔震設計的重要性