高层混凝土结构概念设计探讨1

郑鹤鸣1 胡雨琦2 程山2

（1．上海市建科建筑设计院有限公司设计三所 200032 2．武汉市地震办公室 430023）


[摘要]：建筑结构概念设计无疑是高层结构设计过程中最为重要的一环，合理的结构体系应体现结构设计两阶段三原则的抗震设计理念，不仅能够保证结构具有合理抗侧刚度和延性，而且可以大幅度降低工程造价，减少结构工程师后期设计修改与变更的工作量。本文将从三个方面深入探讨高层结构概念设计的应用：1）结构选型基本原则2）结构构件设计参数的选择与确定3）结构设计相关软件的理解和应用。希望通过本文的研究和探讨，为结构设计提供设计依据和参考。

[关键词]：结构概念设计；建筑结构；构件设计


Profoundly Research of Structural Conceptual Design

of High-rising Reinforced Concrete Building


ZHENG He--ming HU Yu--qi CHENG Shan


[Abstract]: Structural conceptual design is no doubt the key step of high-rise design, reasonable structural system should reflect the aseismic conceptual design rule--two steps and three phase, and which is not only be able to ensure reasonable lateral displacement stiffness and ductile, but also decrease the price of building and late modify working of structure designer. Three points would be emphasized in this thesis: 1) selection of structural system 2) parameter’s setting of element design. By research, the thesis is hoped to guild the design 3) studying and applying of relative design software.

[Key words]: structural conceptual design, architectural structure, element design


一、 概述：

建筑科学技术的发展以及经济水平的提高为高层建筑的发展提供了强力技术支撑和资金保证，近些年来我国高层建筑不断涌现，建筑形式和风格越来越多样化，对于结构工程师这既是挑战也是机遇。

所谓结构概念设计，即为不经过数值计算，或者难以做出精确分析以及现在规范中无法规定的问题，依据整体结构分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本原则和设计思想，从整体角度把握结构体系的选择以及构件布置的宏观控制措施【1】。优秀的结构工程师设计之初往往非常注重前期的概念设计，这是因为概念设计得出的设计方案是整体抗震性能分析和设计的基础，结构体系选择差异将直接决定整个建筑工程施工周期，施工难度和工程造价，同时结构设计难度的不同也将直接考验结构设计师的理论运用水平，因此结构概念设计对于结构工程设计师来说具有非同一般的意义。确定合理的结构方案需要深厚的理论基础和丰富的设计经验，本文作者将总结过去几年设计方面的心得和体会，希望通过本文的研究和探讨，能够给同行一点启示。

二、 结构体系的选型

结构体系选择没有绝对标准，往往随着建筑环境，抗震等级，地基基础条件，建筑材料以及建筑功能、施工技术、建筑造价等各种因素共同作用而有所变化，具体结构体系选择需需要建筑结构师仔细斟酌。建筑结构体系的选择在满足建筑功能的需要的同时，还需满足建筑功能安全性、耐久性和建筑工程造价等要求。合理选择结构体系首先应清楚各结构结构体系的优点和不足，如此才能针对不同要求做出正确的选择。

建筑物是由众多结构构件组成的系统，其主要受力系统称为结构体系，结构体系则有三部分组成：水平结构体系，垂直结构体系，基础结构体系【2】。

垂直结构体系构件由柱、墙、筒体和桁架组成，依据构件类型差别分类即为框架结构，框架-剪力墙结构，剪力墙结构，框架筒体结构，筒体结构，桁架结构等。

框架结构便于结构构件的空间布置，容易实现大跨度空间，外墙采用非承重墙，便于立面设计灵活多变，但是结构柱抗侧刚度小，地震力作用下楼层侧移大，楼层高度亦受到限制，框架结构适用于工业厂房、大跨度剧场体育馆和小型会展中心以及办公楼等，通常用于不超过10层的建筑；剪力墙构件承载力高，可承担较大的水平剪力，但是剪力墙结构开间小，不容易实现大跨度，而且抗震剪力墙整体抗侧刚度大，地震荷载作用下基底剪力较大，剪力墙结构多用于住宅，宾馆医院等小开间建筑；框架剪力墙结构则揉和框架结构和剪力墙结构两者的长处，剪力墙承担水平地震荷载，框架承受竖向荷载以及楼层弯曲荷载，通过调整剪力墙和框架柱的比例，水平地震荷载作用下这种结构体系往往下部楼层表现出剪切型特征，上部表现出弯曲型特征，楼层层间位移表现出良好的均匀性，因此通常用于商住楼，办公楼的建设，底部设计成框架结构，上部设计成框架剪力墙结构，一般结合水平结构体系进行整体设计。结构设计中民用小高层，结构平面和立面多不太复杂，常采用框架结构内置填充墙结构；高层结构，转换层结构以及复杂平立面结构则多采用框架—剪力墙结构；筒体结构相对于框架、剪力墙，竖向受力构件由平面构件变成立体构件，表现出良好的空间作用性能，超高层结构由于对顶部位移以及地震加速度限值严格，通常采用框架--筒体结构，外围框架柱抵抗整体弯曲，筒体承担水平地震荷载，如上海金贸大厦，深圳地王大厦。空间桁架结构目前相关研究还不是很多，然而这种结构体系整体协作性能好，剪力滞后效应不显著，将来必然会获得更多的应用，其中经典建筑即为香港中银大厦。

水平结构体系构件则为板、梁组成。按照水平梁系分类则得出单、双向板肋型楼盖，密肋楼盖，交叉梁楼盖、无梁楼盖以及曲梁楼盖，按照板系分类则可得出厚板，异型板，组合板及壳板。选择梁的类型通常参照下面的因素：楼面荷载数值，墙柱开间和跨度，楼层高度以及使用要求等因素。在一般情况下，常用跨度范围内，通常能够做到技术可行、经济合理。常用跨度以外的跨度埋在个别情况下由于某种特殊需要，也是允许的，梁截面尺寸通常取值为：普通简支梁高度为l/12~1/10，多跨连续梁则为l/18~l/12，多跨连续主梁及承台联系梁：l/15～l/10，悬臂梁：l/6~l/5。在现浇框架结构中，为降低层高，可采用扁梁楼盖结构。多层及高层建筑在使用功能上非常繁复，由于使用功能的不同，结构柱网布置和梁的跨度等差别很大，需要考虑结构布置不同的层间采用结构转换层，当结构抗侧刚度及整体性需要加强，在结构的某些层内需要设置加强层，加强层多属厚板转换。方案初步设计阶段就应避免楼板变形的平面（如楼板开大洞，晚生翼缘太长，块体之间缩颈连接，凹槽缺口太深等），若无法满足上述要求，可通过增加联系梁、板，洞口边加设暗梁、边梁、提高暗梁的配筋率或采用双向斜向配筋等方法尽量消除不利影响。

基础结构体系则可以分为独立基础，条形基础，桩筏基础，箱型基础。天然基础埋深通常为楼层高度的1/12～1/15，桩基础基础埋深为楼层高度的1/16～1/18，基础埋深依据建筑场地地基土土质优良与否以及当地地震荷载，风荷载大小进行调整。通过研究表明，深基础能够减轻震害，埋置较深基础因基础对上部结构体系的嵌固作用降低上部结构的楼层位移反应，而且基础外围地基土的约束增加结构的阻尼比，从而有效降低上部楼层的地震反应。上部结构将楼面荷载，屋面荷载以及水平风荷载和地震荷载通过竖向构件传递到基础【3】，上部结构楼层刚度对基础也有一定影响。若楼层平面长宽较大，迎风立面较宽，地基不均匀沉降明显，则应采用基础的整体性较强的基础类型或者于基础内设置沉降缝从而消解不均匀沉降的影响，基础埋深也应取大值以抵抗水平风荷载作用。

三、 结构构件的设计：

结构体系既然由墙、柱、梁等构件组成，结构设计最终必然回归到构件设计，进行结构构件设计除了运用结构力学以及材料力学等基本知识完成整体到构件力学体系的分析设计，同时要顾全全局，合理布置结构构件。结构设计中需要控制结构的基本自振周期、结构层层间位移和楼层基底剪力三个重要参数【4】，第一自振周期是整体结构刚度的集中反应；扭转为主第一自振周期与平动为主第一自振周期的比值反映结构平面结构体系能否直接提供抗扭刚度的直接体现；结构楼层层间位移则是各楼层相对刚度的集中体现；基底剪力是否大于基底最小剪力指标则是反应楼层的柔度指标。

高层混凝土结构属于多次超静定结构，所有构件均依据经验进行预估，因此结构计算往往需要反复调整才能通过计算。有些结构工程师（包括从事多年结构设计的老工程师）多采用提高混凝土、钢筋强度或者增加超配筋构件的截面来试算超配筋构件，如果我们能够换一个角度来考虑也许更加有效。首先我们应该明确结构调整之前应该完成哪些工作：结构设计第一步—按照常规建立数值模型，估算结构自振周期，判定结构抗震等级，设置振型参与组合数以及地震作用方向等，关键点在于所建立的结构模型楼层刚度中心与质量中心基本重合，结构周边构件能有效抵抗扭转。第二步—确定结构设计的合理性，重新调整结构构件的布置，使得自振周期、位移比、刚度比、层间受剪承载力及剪重比处于合理范围。第三步—对单根构件进行设计，检查梁柱的超配筋信息，调整构件的布置，并且进行结构的优化设计。超配筋构件的调整，应首先查出构件超筋的原因，若盲目加强超筋构件，所得结果往往超过我们的预期，可能得到很大的构件截面或者在第三阶段调整时很大程度上影响第二步的设计参数，所谓‘木秀于林，风必摧之’，这里加强超配筋构件的截面或者强度，整体结构的刚度得到加强，整体刚度加大，则楼层基底剪力增加，超筋构件增加刚度厚分担的剪力和弯距可能增长幅度更大，我们将无法解决超筋问题。通常我的做法是通过旁敲侧击，增加远未达到承载力的构件刚度，超配筋构件减小截面降低刚度从而解决超配筋问题。构件布置时，双向结构抗侧刚度应尽量相等，剪力墙构件在结构设计时多布置在靠近外围以抵御结构的扭转反应。

四、 结构设计相关软件：

目前设计院常用软件通常包括以下几种结构软件：PKPM、3D3S、ETABS、SAP2000以及MTS等常用结构设计软件，PKPM和3D3S可以进行结构整体受力分析和施工图设计，通常受到结构工程师的青睐，MTS用于网架结构设计，而ETABS经过这些年来的完善，其中加入中国建筑工程设计规范，建模习惯同样按照层模型进行设计，已经具有良好的实用性，通常用ETABS能够提供静力分析和弹塑性时程分析的功能，为其他软件分析结果提供参照。SAP2000最新版本也加入了中国设计规范，而且其提供CAD2004图形接口，因此对于桥梁结构和造型新颖的建筑通常采用SAP2000进行分析，下面将就各个软件进行单独分析与研究。

1)PKPM系列程序是为房屋建筑设计开发的系列程序，结构整体空间分析子程序包括TAT和SATWE两个模块。TAT是多高层建筑结构采用薄壁杆件原理的空间分析程序，在三维空间分析时，此程序假定楼板平面刚度无限大，在水平力作用下不发生变形，而只发生平移和转动。因此该程序适用于整体楼板且没有大面积开洞的建筑物。

SATWE是专门为高层结构分析与设计而开发的基于壳元理论的三维组合结构有限元分析软件。其核心是解决剪力墙和楼板的模型化问题，尽可能地减小其模型化误差，提高分析精度，使分析结果能够更好地反映出高层结构的真实受力状态。对楼板SATWE给出了四种简化假定以适合多种不同的情况：1、楼板平面内为刚性，适用于多数常见结构2、分块楼板为刚性，适用于多塔或者错层结构3、分块楼板为刚性用弹性楼板板带连接，适用于楼板局部开大洞，塔与塔之间上部相连的多塔结构及模型平面布置及比较特殊的结构4、楼板为弹性，可用于特殊楼板结构或者要求分析精度较高的高层结构。在应用中，可根据工程实际和分析精度要求选择其中一种或者多种假定。SATWE采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件。采用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙。对于尺寸较大或带洞口的剪力墙，按照子结构的基本思想，由程序自动进行细分，然后用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去，从而保证墙元的精度和有限的出口自由度。墙元不仅具有墙所在的平面内刚度，也具有平面外刚度，可以较好地模拟工程中剪力墙的实际受力状态。

2)ETABS软件：采用空间杆单元模拟梁、柱、支撑构件，采用膜元模型来模拟剪力墙，楼板可采用平面内无限刚假定、分块无限刚假定和弹性假定【5】。ETABS中把楼板、墙都抽象为面对象，面对象的类型有三种，即“壳”、“膜”、“板”。“壳”具有平面内以及平面外刚度，一般用于定义墙单元。“膜”仅具有平面内刚度，一般用于定义楼板单元，起传递荷载的作用。“板”仅具有平面外刚度，仅存在平面外变形。对于面截面类型的选择，一定程度上要靠工程师根据工程情况做出选择。ETABS里可以实现剪力墙开洞，把洞口的两端认为是墙肢，开洞口的上下认为是连梁，然后通过墙肢和连梁的切换实现剪力墙的开洞。膜元模型是把无洞口或有较小洞口的一片剪力墙简化为一个墙板单元，把有较大洞口的一片剪力墙简化为一个由墙板单元和连梁组成的墙板--梁体系，即把洞口两侧部分作为两个墙板单元，上、下层剪力墙洞口之间部分作为一根连梁 墙板单元由膜单元+边梁+边柱组成，膜单元只有墙平而内的抗弯、抗剪和抗压刚度，平面外刚度为零；边梁为一种特殊的刚性梁，在墙平面内的抗弯、抗剪和轴向刚度无限大，垂直于墙平面的抗弯、抗剪和抗扭刚度为零；边柱的作用为等效替代剪力墙的平面外刚度，边柱可能是实际工程中的柱，也可能是人为虚拟柱。比如2m×2m的墙体中心开一个1m×1m的洞，方法是：点击绘制墙肢按钮，确定对话框中面单元类型是pier，打开捕捉，绘制0.5m的一段墙肢，然后把对话框中面单元类型切换成spandrel、洞口上下尺寸输入0.5m,绘制1m的一段连梁，最后在切换回墙肢，这样通过墙肢和连梁的切换来实现立面的剪力墙开洞。ETABS(V9)增添了用于剪力墙开洞的命令。膜元模型使得剪力墙的几何描述和前处理工作得到了简化，解决了剪力墙单元划分的难题，结构自由度有所减少，分析效率也得到了一定的提高，位移的协调性介于薄壁杆件模型和有限元模型之间，分析结果也较薄壁杆件模型更合理。膜元模型的不足之处在于膜元模型按照“柱线”来把剪力墙划分为一个个墙板单元，为了使上、下层之间的墙板单元角点变形协调，模型要求整个结构从上到下“柱线”对齐、贯通。对于复杂工程，特别是当剪力墙洞口上下不对齐、不等宽以及各层与剪力墙搭接的梁平面位置有变化时，将导致“柱线”又多又密，这不仅会增加许多墙板单元，增加计算量，更重要的是会使许多墙板单元变得又细又长，单元的几何比例不当，造成墙板单元刚度奇异，使分析结果失真。此外，将剪力墙洞口问部分模型化为一个梁单元，削弱了实际结构中连梁对墙肢的约束，其结果是结构整体计算的分析结果偏柔，这一点与TAT计算软件相似。ETABS采用空间协同工作体系，因此是准三维分析程序。其主要优点是针对建筑结构的特点进行编制，使用起来比较方便。不足之处是它并非完全三维空间分析程序，协同工作假定带来一定的计算误差。

结束语：

结构工程设计是一项非常繁琐的工作，由于各地建设速度非常迅猛，设计院往往结构工程的设计安排非常紧凑，很难会让我们将所有细节研究清楚。结构概念设计作为结构设计的核心，很多基本原则只要也并不难掌握，良好的概念设计是保证结构更安全，更经济，更适用的保证。本文对结构概念设计中的体系选择、结构构件设计基本原则以及设计软件的选择和应用进行总结和归纳。希望通过本文作者的粗浅认识，能够对同行有一点帮助和启迪。


参考文献

[1]梁健. 高层建筑结构的概念设计 工程建设与存档 2003.2

[2]欧新新,崔钦淑等. 建筑结构设计与PKPM系列程序应用 机械工业出版社 P10-P15

[3]张鹏梁,项宗方,周凌. 浅议工程抗震中的概念设计 山西建筑 2006.2 P48-P49

[4] GB50011-2001. 建筑抗震设计规范

[5]常林润,罗震彪. 常用结构计算软件与结构概念设计 工业建筑2005年第35卷第5期