高层结构设计概念（1）

一、主要介绍

1、高层建筑结构设计的重要概念
（1） 高层建筑（住宅10层及10层以上或房屋高度超过28米）结构的概念设计非常重要。概念设计是结构设计人员运用所掌握的知识和经验，从宏观上决定结构设计的基本问题。

主要有：根据建筑使用功能、房屋高度、地理环境、施工技术条件和材料供货情况、有无地震设防选择结构方案；竖向荷载、风荷载及地震作用的传递途径及对不同结构体系的受力特点；结构破坏的机制和过程，结构要加强的关键部位和薄弱环节；建筑结构的整体性，承载力和刚度在平面内及沿高度均匀分布，避免突变和应力集中；预估和控制各类结构及构件塑性铰可能出现的部位和范围；抗震房屋应设计成具有高延性的耗能机构，并具有多道防线；地基变形对上部结构的影响，地基基础与上部结构协同工作的可能性；结构材料的特性及其与温度变化的影响；非结构性部位对主体结构抗震产生的有利和不利影响，要协调布置，并保证与主体结构连接可靠。
（2） 高层建筑结构电算软件的正确应用，要求结构工程师具有清晰的结构概念，选择合适的电算软件，能建立反映工程实际的计算模型，应掌握必要的结构简化计算方法，以便在方案和初步设计阶段从整体上控制结构设计的合理性，对电算结果的合理性、准确性进行分析判断，对设计和施工中出现的问题能及时解决，要不断更新知识，掌握国内外新技术的发展情况。
（3） 地震作用。结构的地震反应是地震作用下建筑物的惯性力，其大小取决于地震震级及距震中距离、场地特征、结构动力特征，它具有冲击性、反复性、短暂性和随机性。震级是以地震时释放的能量大小确定的，一次地震只有一个震级。地震烈度是地震波及范围内建筑物和构筑物遭受破坏的程度，一次地震有多个地震烈度。地区抗震设防烈度，它是由国家根据地震历史纪录和地质调查研究确定的。新抗震规范将设计近震、远震该称为设计地震分组，分为第一、二、三组。
（4） 结构专业在高层建筑设计中占有更重要的地位,不同结构体系的选择,直接关系到建筑平面布置,立面体形,楼层高度,管道设置,施工技术,施工工期和投资造价。
（5） 水平力是设计的主要因素，随高度增加，水平力（风荷载或水平地震作用）产生的内力和位移迅速增大。把房屋结构看作一根简单的竖向悬臂构件，竖向荷载产生的轴力：N=nW;水平荷载产生的弯距：均布荷载：M=1/2qH ; 倒三角形荷载：M=Qh/3 ;
水平力产生的顶点侧向位移：均布荷载：△=Qh/8EI；倒三角荷载：△=11Qh/120EI。
（6） 高层结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力的刚度，使结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规定的范围内。高层建筑结构所需的侧向刚度由位移控制。侧向位移过大会使结构产生较大附加内力，偏心加剧使结构破坏，或使人不适、惊慌，使填充墙、管道破坏等。
（7） 有抗震设防的高层结构设计，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏，中震可修，大震不倒。结构是否具有抗震能力取决于结构所能吸收和消耗的地震能量，是由承载力和变形能力（延性）决定的。钢筋混凝土是弹塑性材料，具有塑性变形的能力，在地震作用下结构屈服后，利用塑性变形吸收能量。结构或构件的延性是通过实验确定的，是采取一系列构造措施来保证的。因此，在结构抗震设计中必须严格执行规范、规定中有关的构造要求，从保证延性的重要性而然，抗震结构的构造措施比计算更重要。构件要保证结构的延性，要有足够的截面尺寸，柱的轴压比，梁和剪力墙的剪压比，构件截面配筋率要适宜，符合规范、规定的要求。
（8） 剪跨比和剪压比是判别梁、柱和墙肢等抗侧力构件抗震性能的重要指标。剪跨比用于区分变形特征和变性能力，剪压比用于限制内力，保证延性。
（9） 高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。减轻自重意味着不增加基础造价和处理措施，可多建层数，在软弱土层上有突出的经济效益。而且地震效应是与建筑质量成正比的
，减轻自重是提高结构抗震能力的有效办法。因此，高层建筑中，结构构件宜采用高强材料，非结构构件和维护墙体应采用轻质材料。
（10） 结构自震周期应与地震动主导周期（动卓越周期）错开，避免共振造成灾害。场地卓越周期：To=4H/Vs,Ts=∑4hi/Vsi,（H,hi为土层厚度，Vs为土层的剪切波速值；高层建筑的自震周期：框架：T1=0.085N；框剪：T1=0.065N；框筒：T1=0.06N；剪力墙：T1=0.05N；（N为地面上房屋层数）。
（11） 抗震结构尽可能设置多道抗震防线，应采用具有联肢墙、壁式框架的剪力墙结构，框架-剪力墙结构，框架-核心筒结构，筒中筒等多重抗侧力结构体系。高层建筑避免采用纯框架结构。
（12） 结构的承载力、刚度要适应在地震作用下的动力要求，并应均匀连续分布。在一般的静力设计中，任何结构部位的超强设计都不会影响结构的安全。但在抗震设计中，某一
部分结构的超强，就可能造成结构的相对薄弱部位。因此，抗震设计中要严格遵循该强的就强，该弱的就弱原则，不得任意加强，以及在施工中以大代小、以高钢号代低钢号改变配筋，如必须代换，应按钢筋抗拉承载力设计值相等的原则进行代换。
（13） 在抗震作用下节点的承载力应大于相连构件的承载力。当构件屈服、刚度退化时，节点应能保持承载力和刚度不变。
（14） 结构单元之间应遵守牢固连接或彻底分离的原则。高层建筑的结构单元之间宜采用加强连接的方法，而不宜采用分离的方法。
（15） 合理的控制结构的非弹性部位（塑性铰区），掌握结构的屈服过程及最后形成的屈服机制。要采取有效措施防止过早的混凝土剪切破坏、钢筋锚固滑移和混凝土压碎等脆性破坏。
（16） 梁端、柱端及剪力墙的加强部位受弯配筋在满足承载力和抗震构造要求的条件下，应避免钢筋超筋。
（17） 地基基础的承载力和刚度要与上部结构的承载力和刚度相适应。当上部结构与基础连接部位考虑受弯承载力增大时，相邻基础结构及上部结构嵌固部位的地下室结构，应考虑弯矩增大的作用。
（18） 高层建筑的抗风设计中，应保证结构有足够的承载力，必须具有足够的刚度；控制在风荷载下的位移值，保证有良好的居住和工作条件；外墙（尤其是玻璃幕墙）、窗玻璃、女儿墙及其它维护和装饰构件，必须有足够的承载力，并与主体结构有可靠的连接，防止房屋在风荷载作用下产生局部破坏。
（19） 有抗震设防的高层建筑，应进行详细勘察，摸清地形、地质情况，选择位于开阔平坦地带，具有坚硬场地土或密实均匀中硬场地土的对抗震有利的地段；尽可能避开对建筑
抗震不利的地段，如高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡、河岸和边坡，软弱土、易液化土、故河道、断层破碎带，以及土质成因、岩性、状态明显不均匀的情况等；任何情况下
均不得在抗震危险的地段上建造可能引起人员伤亡和较大经济损失的建筑物。
（20） 刚性结构适宜于钢筋混凝土结构特点，当地面运动周期长时，震害较小，变形小，自重大，延性小，空间整体性好。柔性结构适宜于钢结构的特点，当地面运动周期短时，
震害小，自重轻，地震反应小。
（21） 基础埋置深度，除满足地基承载力、变形和稳定性要求外，对减少建筑物的整体倾斜，防止滑移和倾覆，都将发挥一定作用，尤其对结构的动力特性关系密切。考虑地基影响后建筑物的结构自振周期增大，顶点位移增大，随基础埋置深度的增加，阻尼增大，底部剪力剪小，而且土质越软，埋置深度越深，底部剪力减小越多。有地下室的建筑上部结构，其地震反应比无地下室的低20%--30%。
（22） 根据对已建成的高层建筑主楼基础与相连的裙房基础沉降观测，天然地基或以侧阻为主的摩擦型桩基，当裙房为满堂筏形基础，主楼为筏型基础或箱基，主楼与裙房基础相连处设置沉降缝或施工后浇带，在施工期间以及竣工后，此处基础沉降曲线是连续的，没有突变现象。根据上述现象，在设计时注意：同时施工的高层建筑主楼基础与裙房基础之间可不设置沉降缝及沉降后浇带，但应设置施工后浇带（浇灌混凝土时间相隔不少于一个月）；与高层主楼同时建造的裙房基础，设计时必须考虑高层部分基础沉降所引起的差异沉降对裙房结构内力影响；新建高层建筑设计时，应考虑基础沉降对周围已有房屋及管道设施等可能产生的影响。