高层建筑结构合理性布置探析

高层建筑结构合理性布置探析
前言
高层建筑结构要抵抗竖向和水平荷载，在地震区，还要抵抗地震作用。因此，在高层建筑结构设计时，不仅要求结构具有足够的强度，而且还要求有足够的刚度，高层建筑结构应具有足够的延性。这样才可以在满足使用条件下能达到既安全又经济的设计要求。
1 高层建筑平面布置的合理性
(1)结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称，减少扭转的影响。在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，风力作用下则可适当放宽。
抗震设防的高层建筑，平面形状宜简单、对称、规则，以减少震害。除平面形状外，各部分尺寸都有一定的要求。首先，平面的长度比不宜过大，L/B一般宜小于6,以避免两端相距太远，震动不同步，由于复杂的振动形态而使结构受到损害。长矩形平面的尺寸目前一般在70-80M以内。
为了保证楼板在平面内有很大的刚度，也为了防止或减轻建筑物各部分之间振动不同步，建筑平面的外伸段长度C应尽可能小。平面凹人后，楼板的宽度应予保证，Z形平面的重叠部分应有足够长度。另外，由于在凹角附近，楼板容易产生应力集中，要加强楼板的配筋。在设汁中，L/R的数值7度设防时最好不超过4；8度设防时最好不超过3,C/D的数值最好不超过1.0.
(2)为了防止楼板削弱后产生过大的应力集中，楼电梯间不宜设在平面凹角部位和端部角区，但建筑布置上，从功能考虑，往往在上述部位设楼电梯间。如果确实非设不可 ,则应采用剪力墙筒体予以加强。
(3)在高层建筑周边设置低层裙房时，裙房可以单边、两边和三边围合设置，甚至高层主楼置于裙房内.当裙房面积较小，与主楼相比其刚度也不大时，上、下层刚度中心不一致而产生的扭转影响较小，可以采用偏置形式;当裙房面积较大，裙房边长与主楼边长之比大于1.5时，宜采用内置式。
(4) 高层建筑物设置了伸缩缝、沉降缝或防震缝后，独立的结构单元就是由这些缝划分出来的各个部分。各独立的结构单元平面形状和刚度对称，有利于减少地震时由于扭转产生的震害。平面不规则、刚度偏心的建筑物，在地震中容易受到较严重的破坏。因此，在设计中宜尽量减小刚度的偏心。如果建筑物平面不规则、刚度明显偏心，则应在设计时用较精确的内力分析方法考虑偏心的影响，并在配筋构造上对边、角部位予以加强。
(5)平面过于狭长的建筑物在地震时由于两端地震波输人有位相差而容易产生不规则振动，产生较大的震害，平面有较长的外伸时。外伸段容易产生局部振动而引发凹角处破坏。需要抗震设防的A级高度钢筋混凝上高层建筑，其平面布置宜符合下列要求: 1)平面宜简单、规则、对称、减少偏心，否则应考虑扭转不利影响; 2)平面长度不宜过长，突出部分长度L不宜过大，凹角处宜采取加强措施。
(6)抗震设计的B级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，其平面布置应简单、规则，减少偏心。
(7)角部重叠和细腰形的平面图形，在中央部位形成狭窄部分，在地震中容易产生震害，尤其在凹角部位，因为应力集中容易使楼板开裂、破坏。这些部位应采用加大楼板厚度，增加板内配筋设置集中配筋的边梁，配置45°斜向钢筋等方法予以加强。
当楼板平面过于狭长、有较大的凹人和开洞而使楼板有过大削弱时，应在设计中考虑楼板变形产生的不利影响。楼面凹人和开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半，楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的30% ;在扣除凹人和开洞后，楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于5M。且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2M。
(8)抗震设计时，当建筑物平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置使之成为较规则的结构时，宜设置防震缝将其划分为较简单的几个结构单元。
2 高层建筑结构竖向布置的合理性
(1)历次地震震害表明:结构刚度沿竖向突变、外形外挑内收等，都会产生变形在某些楼层的过分集中，出现严重震害甚至倒塌。所以设计中应力求自下而上刚度逐渐、均匀减小，体型均匀不突变。1995年阪神地震中，大阪和神户市不少建筑产生中部楼层严重破坏的现象，其中一个原因就是结构刚度在中部楼层产生突变。有些是柱截面尺寸和混凝土强度在中部楼层突然减小。有些是由于使用要求而剪力墙在中部楼层突然取消，这些都引发了楼层刚度的突变而产生严重震害。
(2)抗震设计的高层建筑结构。其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80 %。结构竖向抗侧力构件不宜不连续楼层的侧向刚度可取地震作用下该楼层剪力和该楼层层间位移的比值。
(3)A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的承载力不宜小于其上一层的80% ,不应小于其上一层的56.5%.B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的承载力不应小于其上一层的75% 。（楼层层间杭侧力结构承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上，该层全部柱及剪力墙的受剪承载力之和。）
(4)抗震设计时，当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度Ｈ１与房屋高度H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸B1，不宜小于下部楼层水平尺寸B的０.75倍.。当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸Ｂ１的0.9倍，且水平外挑尺寸A不宜大于4M.
(5)中国建筑科学研究院的计算分析和试验研究表明，当结构上部楼层相对于下部楼层收进时，收进的部位越高、收进后的平面尺寸越小，结构的高振型反应越明显，因此对收进后的平面尺寸加以限制。当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，结构的扭转效应和竖向地震作用效应明显，对抗震不利，因此对其外挑尺寸加以限制，设计上应考虑竖向地震作用影响。
(6)结构刚度沿竖向突变、外形外挑或内收等，都会产生某些楼层的变形过分集中，出现严重展害甚至倒塌。所以设计中应力求使结构刚度自下而上逐渐均匀减小，体形均匀、不突变。
(7)顶层取消部分墙、柱而形成空旷房间时，其楼层侧向刚度和承载力可能比其下部楼层相差较多，是不利于抗震的结构，应进行详细的计算分析，并采取有效的构造措施。如采用弹性时程分析进行补充计算、柱子箍筋应全长加密配置、大跨度屋面构件要考虑：
1)减小土的重量，降低地基的附加压力;
2)提高地基土的承载能力;
3)减少地震作用对上部结构的影响。