浅议钢筋混凝土高层建筑的结构设计

分类：建筑设计论文发表 时间：2012-12-06 10:25 关注：(1)

　　摘要：结构设计是个系统的、全面的工作。需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。高层建筑必须在满足国家设计规范要求的前提下，才能提高建筑结构设计水平，确保设计质量不断提升，以使结构设计工作做到更安全、更合理。

　　关键词：钢筋混凝土;高层建筑;结构设计

　　1高层建筑结构选型设计的原则

　　(1)功能适应性原则：不同功能的建筑，往往具有不同的功能空间特征;不同的结构体系型式，并能够提供不同的空间布置;不同的内部空间特征又要求不同的结构与其相适应。

　　(2)高度合理性原则：不同的结构体系往往具有不同的力学特征和整体性能，也有其整体综合性能得到较好发挥的高度适应范围。

　　(3)场地适应性原则：主要是做好建筑地的防震措施。

　　(4)空间整体性原则：建筑结构系统是一个由多个结构及其若干组成构件组成的空间结构体系。一个结构的抗震能力不仅取决于各子结构及相应构件强度、刚度及其受力状态。而更主要地取决于保证这些子结构、构件能协同工作的能力或空间整体性。

　　(5)整体稳定性原则。

　　(6)施工方便性原则：不同的结构型决定着结构的施工工艺、施工难度、施工工期及可能的施工质量。

　　2高层建筑结构设计的关键问题

　　2.1注意高大建筑的整体稳定性

　　对高层建筑来说，在抗震设计中，房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。近年来出现了许多板式高层住宅，其立面高度很大而房屋进深尺寸有限，即高宽比超过了规范限值。建筑物的高宽比愈大，也就是说建筑愈高，在地震作用下的侧移就愈大，地震引起的倾覆作用就愈严重，巨大的倾覆力矩在柱中和基础中引起的拉力和压力比较难处理。结合几年来的工程实践，有以下几点体会：

　　(1)对整个建筑进行抗倾覆稳定性验算，使地震作用下的倾覆力矩与相应的重力荷载在基础与地基交界面上的合力作用点，不应超出力矩作用方向抗倾覆构件基础边长的1/4。

　　(2)加大建筑物下部几层的宽度，使其满足规范高宽比的限值，但尽可能避免形成大底盘建筑。必要时通过设置类似扶壁的钢筋混凝土构件，来增加基础底板的悬挑宽度，达到扩大基础底面积的效果，从而保证上部结构的稳定。

　　(3)使基础有足够的埋置深度。在部分设计图纸上，发现裙楼和高层主楼从地上到地下用变形缝彻底分开，导致主楼基础埋深不够或者根本没有埋深，地震时会使建筑物发生滑移、整体倾斜甚至倾覆。这个问题必须引起注意。

　　(4)对于高宽比很大的高层建筑，建议尽可能采用深基础，即采用配有钢筋的桩基础，桩基础钢筋在承台内的锚固长度要足够大。因为桩是埋在土中的细长构件，由于桩土摩擦力的存在，桩的抗拔性能较好，从而能很好地抵抗上部结构的倾覆。尽可能避免采用天然地基或复合地基上的浅基础。

　　2.2剪力墙设计中需要注意的几个问题

　　2.2.1钢筋混凝土抗震墙的延性和破坏形态与墙体的高宽比和超静定次数密切相关

　　(1)为了提高抗震墙的变形能力，避免发生剪切破坏，对于一道截面较长的抗震墙，应该利用洞口设置弱连梁，使墙体分为小开口墙、多肢墙或单肢墙，并使每个墙段的高宽比不小于2。但是，考虑到耗能，连梁又不能太弱，连梁弱到成为一般小梁时，墙肢就变成单肢墙，而单肢墙的延性很差，仅为多肢墙的一半，且单肢墙仅具有一道抗震防线，超静定次数少，在地震作用下是很不利的。目前，有许多设计人员将结构中门洞连梁、窗洞连梁都改为截面高度极小的二力杆件，这对结构抗震是很不好的。

　　(2)在实际设计中，对连梁的刚度都要进行折减，这是因为剪力墙的刚度一般都很大，在水平力作用下，剪力墙中的连梁会因为很大的内力而超过截面允许值，可靠的办法是让这些连梁先屈服，要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏，连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求，对连梁的刚度进行折减实际上就是降低其抗弯能力。

　　2.2.2规范规定，剪力墙在端部应设置暗柱、端柱等边缘构件

　　这些边缘构件的作用相当于砖混结构的约束柱，当结构的刚度较小，地震作用下层问位移和顶点位移较大时，边缘构件所起的作用也就越大，此时暗柱的截面和配筋就应加大。如果剪力墙的总截面面积与楼层面积之比值较大时，且房屋高度较小、楼座面积较大时，墙端部的暗柱面积和配筋量就不需按规范要求设置那么多。1985年智利大地震时，有300多栋钢筋混凝土剪力墙结构的破坏较轻，但它们的墙端并无较好的约束。这就是最好的证明。

　　2.2.3在钢筋混凝土全墙结构中，采用人开间剪力墙结构好，还是采用小开间剪力墙结构好，这一直是一个争论的焦点问题。大开间剪力墙结构的优点较多：

　　(1)墙体数量少，相应的混凝土用量少，墙体的约束构件少，结构自重轻;

　　(2)相对小开间剪力墙结构，其抗推刚度小，白振周期长，水平地震作用小;

　　(3)墙体的配筋率适当，结构的延性增加，地震时能充分发挥墙体约束构件的作用;

　　(4)使用空间大，建筑布置灵活。缺点是：①楼板跨度大，钢筋用量大;②要求设置高效轻质的隔墙，造价高。

　　2.3屋面高大女儿墙的设计方法

　　对于高层建筑，为了照顾立面效果，屋顶女儿墙往往做的很高，其荷载效应对主体结构的影响越来越明显，这一点常常被设计者所忽略。在设计上，女儿墙无法直接参与主体结构的分析，所以在计算时往往仅考虑女儿墙的自重，当女儿墙较低时，这种方法是符合精度要求的，不会影响结构的安全;但是，随着女儿墙高度的增加，其地震荷载和风荷载效应也在增加，对主体结构的影响越来越大。因此，当女儿墙较高时，要仔细计算女儿墙所受水平荷载的情况。由于其侧向刚度较小，女儿墙一般采用钢筋混凝土材料，配筋计算可按支承于屋顶的悬臂板来考虑，且应配双层钢筋。为保证屋面女儿墙与主体结构的可靠连接，屋面女儿墙所在的框架梁或墙必须具有足够的抗弯、抗扭刚度，即对框架梁要根据女儿墙的底部计算弯矩配置受扭钢筋。对女儿墙的计算，主要应该验算在正常使用情况下由风荷载引起的内力并进行截面配筋。有人认为应进行地震作用计算，并将其地震作用乘

　　以放大系数3来进行内力、配筋计算，认为一般情况此法没有必要;因为女儿墙在结构中毕竟是次要构件，只要通过合理的构造措施，来保证发生强烈地震时，女儿墙不至于倒塌掉下来伤人即可。

　　2.4地下室外墙的设计方法

　　在一般情况下，地下室外墙所承受的主要荷载为结构自重、地面活载、侧向土压力等。在我国已建成的高层建筑中，地下室外墙的墙厚和配筋相差很大，墙厚在200～700mm之间，配筋在565～4909mm2之间，可见在结构可靠与经济之间选择一个合理的平衡，始终是一个值得探讨的课题。地下室外墙的受力状况与上部结构类型及平面布置有很大关系。当上部结构为框架结构时，上部填充砌体及±0，00楼板对地下室外墙顶端的约束程度很小，此时可假定墙体顶端为铰接。当上部结构为钢筋混凝土剪力墙结构时，剪力墙及±0.00楼板对地下室外墙顶部的约束程度很大，此时可假定墙壁顶端为固接。基础的刚度一般远大于墙体刚度，所以墙的下端一般视为固定端。在实际情况中，考虑到边界条件不十分明确，为安全起见，可对同一边界采用两种不同的假设，如按端部固定计算墙端弯矩，按端部铰接计算墙跨中弯矩。计算表明，外墙壁配筋满足裂缝宽度要求后，一般能同时满足承载力计算和构造要求;而当外墙配筋满足承载力计算时，却不一定满足最大裂缝宽度允许值要求。有人认为外墙内外侧配筋应根据内力值计算大小分别配置，其实没有必要，最好等量对称配筋。另外，外墙厚度还要考虑防水要求，不应小于250mm，混凝土的抗渗等级不应小于56(0.6MPa)。

　　结语

　　随着社会经济的繁荣，我国高层建筑发展迅速，设计思想也不断更新，结构体系日趋多样化，这就给高层建筑分析及设计提出了更高的要求。如何才能高效保证钢筋混凝土高层建筑结构的耐久性及稳固性，仍是工程师设计高层建筑结构时急待解决的重要课题。