高层建筑结构设计要点

1.概念设计
概念设计是展现先进设计思想的关键 ,一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计 ,并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为概念设计做得好的结构工程师 ,随着他的不懈追求 , 其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富 ,设计成果也越来越创新、完善。遗憾的是 ,随着社会分工的细化 ,大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计 ,缺乏创新 ,更不愿 (不敢 )创新 ,有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳 (害怕承担创新的责任 )。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天 ,对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。随着年龄的增长 ,导致他们在大学学的那些孤立的概念都被逐渐忘却 ,更谈不上设计成果的不断创新。强调概念设计的重要 ,主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性 ,比如对混凝土结构设计 ,内力计算是基于弹性理论的计算方法 ,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法 ,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远 ,为了弥补这类计算理论的缺陷 ,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计 ,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。同时计算机结果的高精度特点 ,往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解 ,结构工程师只有加强结构概念的培养 ,才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。概念设计之所以重要 ,还在于在方案设计阶段 ,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念 ,选择效果最好、造价最低的结构方案 ,为此 ,需要工程师不断地丰富自己的结构概念 ,深入、深刻了解各类结构的性能 ,并能有意识地、灵活地运用它们。
2.基本问题
2.1应当注意防震缝的设计，必须留有足够的宽度。
2.2平面形状或刚度不对称，会使建筑物产生显著的扭转，震害严重。
2.3凸出屋面的塔楼受高振型的影响，产生显著的鞭梢效应，破坏严重。
2.4高层部分和低层部分之间的连接构造不合理。
2.5框架柱截面太少，箍筋不足，柱子的延性和抗震能力不够而发生剪切破坏或柱头压碎。
2.6由于沿竖向楼层质量与刚度变化太大，是楼层变形过分集中而产生破坏。
2.7地基的稳定性问题要特别注意。
2.8伸缩缝和沉降缝宽度过小，碰撞破坏很多。
2.9不应在建筑物端部设置楼梯间和楼板开大洞口，因刚度不均匀而产生扭转。
2.10外纵墙门窗洞口过大，连梁尺寸太小，容易产生破坏。
2.11中间部分楼层柱子截面和材料改变或取消了部分剪力墙，产生刚度或承载力突变，形成结构薄弱层。
3. 设缝原则
高层建筑应当调整平面尺寸和结构布置，采取构造措施和施工措施，能不设缝就不设缝，能少设缝就少设缝，如果没有采取措施或必须设缝时，则必须保证必要的缝宽以防止震害。
钢筋混凝土高层建筑结构的温度-收缩问题，一般由构造措施来解决。
后浇带可选择在对结构受力影响较小的部位曲折通过，不要在一个平面内，以免全部钢筋都在同一平面内搭接。一般可设置在梁和楼板的1/3处。
目前许多工程是采用调整各部分沉降差，在施工过程中留后浇段作为临时沉降缝，等到沉降基本稳定后再连为整体，不设永久性的沉降缝。
高层建筑的主楼和裙房的层数相差很远，在下列条件时可不留永久沉降缝：
3.1采用端承桩，桩支承在基岩上。
3.2地基条件好，沉降差小。
3.3有较多的沉降观测资料，沉降计算比较可靠。
后两种情况下，可调压力差，主楼和裙房部分才用不同的基础，使其沉降接近。
调时间差，先施工主楼，待主楼基本建成，沉降基本稳定，再建裙房。
抗震设计的高层建筑在下列情况下宜设防震缝：
3.4平面长度和外伸长度尺寸超出了规程限值而又没有采取加强措施时；
3.5各部分结构刚度相差太远，采取不同材料和不同结构体系时；
4.4各部分质量相差很大时；
3.6各部分有较大错层时。
此外，各结构单元之间设了伸缩缝和沉降缝时，其缝宽应满足防震缝宽度的要求。
防震缝应在地面以上全高设置，当不作为沉降缝时，基础可以不设防震缝，但要加强构造和连接。
高层建筑各部分之间凡是设缝的，就要分得彻底；凡是不设缝的，就要连接牢固。
《高层规程》规定：
框架结构房屋，高度不超过15m的部分，可取70；超过15m的部分，6、7、8、9度相应每增加高度5、4、3、2m，宜加宽20。
框架-剪力墙结构房屋可按第一项数值的70%采用，剪力墙结构房屋可按第一项规定数值的50%采用，但二者均不宜小于70。
4.结构设计原则和要点
结构竖向布置,沿竖向刚度突变还由于下述两个原因产生：
4.1抗侧力结构（框架、剪力墙、筒体等）突然改变布置。
4.2结构的竖向体型突变。
当小墙肢截面的高度小于等于墙厚的4倍时，应按框架柱设计，箍筋按框架柱全长加密。
抗震设计的轴压比控制：
4.2.1特一级、一级（9度）为0.4；一级（7、8度）为0.5；二级为0.6。
4.2.2抗震墙的翼墙长度小于其3倍厚度或端柱截面边长小于2倍墙厚时，视为无翼墙和无端柱。
4.2.3按照结构延性系数的大小排序：钢结构、钢管混凝土结构、型钢混凝土结构、钢筋混凝土结构、配筋砌体结构、砌体结构。结构的延性系数大，说明结构抗震的变形能力大，结构的耐震性能好。有条件时，建筑的主体结构可采用延性系数较大的结构材料。
4.2.4地下室顶板应采用现浇梁板结构，其楼板厚度不小于180，混凝土强度等级不宜小于C30，并应采用双层双向配筋，且每个方向的配筋率不宜小于0.25%。
4.3抗震框架柱配筋要注意的三个方面：
4.3.1最小配箍率、最小体积配箍率、最小纵筋配筋率。
4.3.2当地下室做为上部结构的嵌固端时，地下一层的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用。
4.3.3地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍。
4.4短柱：柱净高与截面宽度之比小于4的柱子。箍筋需全长加密。
4.4.1剪跨比
a.柱剪跨比：柱子净高与2倍柱子截面高度的比值。
b.梁剪跨比：剪跨与梁截面有效高度的比值。广义剪跨比=M/Vh=a/h。剪跨比反映了截面上正应力和剪应力的相对比值，在一定程度上也反映了截面上弯矩与剪力的相对比值。它对 梁的斜截面受剪破坏形态和斜截面受剪承载力，有着极为重要的影响。
4.4.2高宽比
a.6、7度抗震设防烈度的A级高度建筑，其高宽比限值分别为：框架4，框剪5，剪力墙6，筒体6。
b.抗震设计一般剪力墙结构底部的加强部位：墙肢总高度小于50m时取其总高度的1/6，大于50m时取 1/8，超过150m，取1/10。
c.裙房与主楼相连时，加强范围也宜高出裙房至少一层。
d.对于框剪结构或框筒结构，采用模拟施工算法3是比较合理的，可以避免剪力墙轴力远大于实际的不合理情形。
e.振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数。振型个数至少取3，最好为3的倍数，当然，振型个数也不能大于3倍质点数。
f.当考虑扭转耦联计算时，振型数应不少于9。对于多塔结构振型个数应大于12。
高规要求有效质量系数不应小于90%。
g.楼梯柱可视为短柱，箍筋需全长加密。