浅谈关于高层建筑结构设计问题

摘　要：本文论述了高层建筑结构设计中应特别重视的原则、特点，对结构进行合理选型，运用计算手段对结构做出合理评价，合理调整，正确分析计算结果，并对高层结构设计的总体指标控制做了介绍，对高层结构设计的结构布置进行了分析。
关键词：结构设计原则、结构布置、 刚度比、 周期比
高层建筑目前在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大，而建筑结构设计方面的变化也越来越多，很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中。建筑类型与功能越来越复杂，高层建筑的数量日渐增多，高层建筑的结构体系也是越来越多样化，高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。面对如此形势，应该把高层建筑的结构设计放在首位加以研究。
　　一、高层建筑结构设计原则　　
　　1.高层建筑在承受竖向荷载的同时还要承受风荷载或地震作用，随着高度的增加，侧力产生的内力和位移会大幅度的增加，因此侧力在高层结构设计中往往起着控制作用。
　　2.高层结构除应有足够的承载能力之外，还要求结构具有足够的刚度，以便控制结构的总体侧向变形和层间侧向变形。结构体系要求受力明确，传力合理，力的传递路线不应间断，从上部结构到基础，力的传递途经越短，越具有经济性和合理性。
　　3.高层结构设计的准则是：建筑物遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危机生命的严重破坏。这就是抗震设防三个水准的要求。概括地说，抗震设计的目标就是“小震不坏，设防烈度可修，大震不倒。”为了实现上述三个水准的设防要求，规范采用了二阶阶段设计，第一阶段设计是承载力验算，使结构既满足第一水准下必要的承载力可靠度，又满足第二水准损坏可修的目标，对大多数结构可只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求；对于特殊要求的建筑、地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构还应进行第二阶段设计，验算结构薄弱部位的弹塑性层间变形并采取相应的抗震构造措施，以实现第三水准的设防要求。
　　4.采用二阶段设计实现三个水准的设防要求，并依据建筑物所在地区的设防烈度、建筑物的重要程度、不同的结构体系、建筑物的高度、抗震等级要求进行设计，结构设计就会更经济合理。
　　总之，高层结构抗震设计至关重要的就是使结构承载力、刚度、能量耗散和延性等多种性能得到最佳组合。　

　　二、高层建筑结构设计的特点
　　 高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有：
　　 1.水平力是设计主要因素：在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。
　　 2.侧移成为控制指标
　　 与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与建筑高度H的4次方成正比（△＝qH4/8EI）。
　　 另外，高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗推刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，否则会产生以下情况：
　　 1）.因侧移产生较大的附加内力，尤其是竖向构件，当侧向位移增大时，偏心加剧，当产生的附加内力值超过一定数值时，将会导致房屋侧塌。
　　 2）.使居住人员感到不适或惊慌。
　　 3）.使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，使机电设备管道损坏，使电梯轨道变型造成不能正常运行。
　　 4）.使主体结构构件出现大裂缝，甚至损坏。
　　 3. 结构抗震性与延性的重要性。“小震不坏、大震不倒”是高层建筑抗震设计所要遵循的基本原则。高层建筑结构的抗震设计,在考虑到常规设计中的竖向荷载、风荷载外还必须考虑到地震载荷。为了使结构在地震中避免整体性倒塌,就特别需要在构造上采取恰当的措施来保证结构具有足够的延性。结构在地震作用下，即使进入破坏阶段，由于具有充分的延性性能，将意味着结构虽然会产生较大的变形，但是不会发生脆性破坏和倒塌。考虑地震区的结构设计应经济、合理，延性性能成为一个极为重要的问题。延性包括结构延性和构件延性，而结构延性又包括总体延性和楼层延性。构件的延性要求一般都高于结构延性的要求，而构件延性又取决于构件截面纵筋配筋率、约束混凝土和防止纵向钢筋压屈的箍筋配筋率、混凝土和钢筋的强度，以及轴向荷载的大小。

　　 三、高层建筑结构的结构布置
　　建筑物的平面力求规则、对称，并应具有良好的整体性。复杂的外形和平面会导致质量中心与刚度中心的偏离，在平面的凸出或凹进部位易产生应力集中。结构规则与否是影响结构抗震性能的重要因素。
　　（一）结构平面布置　　1.结构平面布置：抗震设计的A级、B级高度钢筋混凝土高层建筑，其平面布置宜简单、规则、对称、减少偏心，平面凸出部分不宜过大，平面长度不宜过长，过长的平面外形地震时空间振动可能造成严重的震害。建筑平面宜满足JGJ3-2010的3.4.3的要求。对抗震结构，要使结构的刚度中心和质量中心尽量重合，以减少扭转，通常偏心距不宜超过垂直于外力作用线边长的5％。要注意刚度的均匀对称，注意钢筋混凝土剪力墙的位置，也要注意填充墙的位置。通常，砖填充墙是非结构受力构件，容易被忽略，实际上它们也会影响 结构刚度的均匀性。按7度及7度以上设计的建筑物，在结构单元的两端或拐角部位设置楼梯间和电梯间时应采取加强措施。
　　2.防震缝的设置：由于复杂和不规则的建筑平面是不可避免的，用防震缝进行结构平面分段，是把不规则结构分割为若干规则结构的有效方法。防震缝可以结合沉降缝要求贯通到地基。当无沉降问题时防震缝也可以从基础或地下室以上贯通。当建筑物地下有多层大面积地下室，而上部结构为带裙房的单塔或多塔结构时，可将裙房用防震缝自地下室以上分割，地下室顶板应有良好的整体性和刚度，能将上部结构地震作用传递到地下室结构。防震缝的设置应按JGJ3-2010的3.4.10的要求做。
　　3.楼板开大洞的措施：当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时，应在设计中考虑楼板削弱产生的影响。楼面凹入或开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半；楼板开洞的总面积不宜超过楼面面积的30％；在扣除凹入或开洞后，楼板在任何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。加厚洞口附近楼板，提高楼板的配筋；采用双层双向配筋，洞口边缘设置变梁、暗梁；在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋。
　　（二）结构竖向布置
　　一般原则：有抗震设计要求时，结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐地减小，变化以均匀、连续，不要突变。
　　1.结构的整体稳定 窄而高的建筑，在风荷载和地震作用下会产生较大的水平位移，当地基变形引起基础转动时，还会使建筑物产生附加位移，这些因素都会影响结构整体稳定。为满足整体稳定，规范规定了高宽比的限值。
　　2. 结构的侧向刚度 抗震结构的侧向刚度宜均匀变化，控制阶梯形的凸出或凹进变化，截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。当某些楼层的刚度小于上层时，不宜小于相邻的上层刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。
　　3.结构楼层的收进与外挑 需要抗震设防的建筑，竖向体型应力求规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。立面收进部分的尺寸比值B1/B>0.75(H1/H2>0.2时)，外挑式B不宜小于B1的0.9倍，a不宜大于4米。如图所示：

　　4.顶层空旷结构 顶层取消部分墙、柱形成空旷房间时，应进行动力时程分析，并应采取有效的构造加强措施。
　　四、高层建筑结构设计的总体指标控制
　　1.高层建筑与多层结构相比有明显不同的受力和变形性能，水平荷载混合地震作用是主要的控制内容。判断结构布置合理性和结构体系的经济性能是高层建筑结构设计的关键，设计结构规范用语控制高层建筑整体性的指标主要有：周期比、位移比、刚重比、刚度比、层间受剪承载力之比、轴压比以及剪重比等。
　　2.计算判断结构抗震是否可行的主要依据是在风荷载和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，结构的振型曲线，自振周期以及风荷载和地震作用下建筑物底部剪力和总弯矩是否在合理范围中，总体指标对建筑物的总体判别十分用用。若刚度太大，周期太短，导致地震效应增大，造成不必要的材料浪费；但周期太大，刚度太小，结构的变形太大，影响建筑物的使用，合理的刚度是多少，建议对于小高层住宅u/H 取1/2500~1/3500，刚度比在10~15之间是比较合理的，周期为层数的0.06~0.08倍之间。另外，对结构布置扭转的控制：在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期T t与平动为主第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及复杂高层建筑不应大于0.85。
　　五、结语　　 总之，高层设计时如何把握好合理性、经济性至关重要。在规范允许范围内，合理把握关键部位及主要构件，什么地方应加强，什么地方可以放松，对于保证建筑物安全及降低造价影响巨大。这也是我们今后的设计要不断提高及改进的。高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择。高层建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析掌握的知识处理实际建筑设计中遇到的各种问题。
　　参考文献
　　1. 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010
　　2. 建筑抗震设计规范（2010年版）GB50011-2010
　　3.混凝土结构构造手册 王文栋 中国有色工程设计研究总院