对高层建筑结构设计中存在问题的分析

摘要：随着社会经济的迅速发展和建筑功能的多样化，城市人口的不断增多及建设用地日趋紧张和城市规划的需要，促使高层建筑得以快速发展。另一方面由于轻质高强材料的开发及新的设计计算理论的发展，抗风和抗震理论的不断完善，加之新的施工技术和设备的不断涌现，特别是计算机的普及和应用以及结构分析手段的不断提高，为迅速发展高层建筑提供了必要的技术条件。本文建筑设计论文对高层建筑结构设计中值得重视的几个问题进行了探讨,仅供参考。
关键词：高层建筑；结构设计；问题分析
1. 结构计算与分析
　　在结构计算与分析阶段，如何准确，高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理，是决定建筑工程设计质量好坏的关键。由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分相当多的内容进行了调整和改进，因此，结构工程师也应该相当地对这一阶段比较常见的问题有一个清晰的认识。
（1）结构整体计算的软件选择。目前比较通用的计算软件有：SATWE、TAT、TBSA或ETABS、SAP等，但是，由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异，因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。
（2）是否需要地震力放大，考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。该部分内容实际上在新老规范中都有提及，只是，在新规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下建筑结构计算自振周期折减系数。
（3）振型数目是否足够。在新规范中增加一个振型参与系数的概念处理措施进行设计。并明确提出了该参数的限值。由于在旧规范设计中，并未提出振型参与系数的概念，或即使有该概念，该参数的限值也未必一定符合新规范的要求，因此，在计算分析阶段必须对计算结果中该参数的结果进行判断，并决定是否要调整振型数目的取值。
（4）多塔之间各地震周期的互相干扰，是否需要分开计算。一段时间以来，大底盘，多塔楼的建筑类型大量涌现，而在计算分析该类型建筑时，是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算，是结构工程师必须注意的问题。如果多塔间刚度相差较大，就有可能出现即使振型参与系数满足要求，但是对某一座塔楼的地震力计算误差仍然有可能较大，从而便结构出现不安全的隐患。
（5）非结构构件的计算与设计。在建筑中，往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。对这部分内容，尤其是建筑屋顶处的装饰构件进行设计时，由于建筑的地震作用和风荷载均较大，因此，必须严格按照新规范中增加的非结构构件的计算处理措施进行设计。

2. 高层建筑结构受力性能
对于低层、多层和高层建筑，竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的，但是，随着高度的不断增加，竖向结构体系成为设计的控制因素，其原因有两个：其一，较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒；其二，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。与竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的，而随建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比，而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比，地震的作用效应更加明显。在高层建筑中，问题不仅仅是抗剪，而更重要的是整体抗弯和抵抗变形，可见，高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异。

3. 高层建筑结构设计中的扭转问题
建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心,在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点,即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一,在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏,应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局,尽可能地使建筑物做到三心合一。
在水平荷载作用下,高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀,减轻结构的扭转振动,应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下,由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制,高层建筑不可能全部采用简单平面形式,当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时,应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内,同时,在结构平面布置时,应尽可能使结构处于对称状态。
建筑结构的振动周期问题包含两方面:（1）合理控制结构的自振周期；（2）控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。
3.1 结构自振周期
高层建筑的自振周期(T1)宜在下列范围内:
框架结构:T1=(0.1～0.15)N
框—剪、框筒结构:T1=(0.08～0.12)N
剪力墙、筒中筒结构:T1=(0.04～0.10)N
N为结构层数。
结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内:
第二周期:T2=(13～1/5)T1；第三周期:T3=(1/5～1/7)T1。
3.2 共振问题
当建筑场地发生地震时,如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近,建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期,通过调整结构的层数,选择合适的结构类别和结构体系,扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别,避免共振的发生。
3.3 水平位移特征
水平位移满足高层规程的要求,并不能说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素。因为结构抗震设计时,地震力的大小与结构刚度直接相关,当结构刚度小,结构并不合理时,由于地震力小则结构位移也小,位移在规范允许范围内,此时并不能认为该结构合理。因为结构周期长、地震力小并不安全；其次,位移曲线应连续变化,除沿竖向发生刚度突变外,不应有明显的拐点或折点。一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型;框架结构的位移曲线应为剪切型；框—剪结构和框—筒结构的位移曲线应为弯剪型。

4. 结构刚度
高层建筑的抗侧刚度对结构的抗震性能有很大的影响，应设计得刚些还是柔些，不同的设计人员有不同的看法，因此各结构物的经济指标相差较大。
某商业中心大厦25层，建筑面积约6万平方米，钢筋混凝土框架一筒体加水平刚性层结构，设计时以位移限值作为控制，计算的结构顶点位移和最大层间位移值分别为346mm(H/493）和7.75mm(h/393)，满足当时的国家规范且富余很少，基本周期Tl=4.355，整个结构比较柔，地震作用也较小，底部剪力FEk、0.013GE。该大厦的各项经济指标均低于同类工程，钢筋用量约为95kg／m3。为保证结构有较好的抗震性能，在构造上采取了一些加强措施以保证构件的延性。经过几年的强台风和小地震考验，结构安全完好，证明建在较硬场地上的高层建筑可以按变形控制设计，以柔克刚，既安全又经济。

5. 高宽比限值
一般而言，随着建筑物高度的增加，倾覆力矩也将迅速增大，高宽比大的结构其安全性和经济性较差，所以高宽比限值原则上是需要的。
但目前高宽比限值中考虑的因素过于简单。首先，结构的杭倾覆性与基砒埋深、基础宽度及基础形式等有很大的关系。基础埋得越深、基础宽度越大、结构杭倾覆能力就越好，高宽比就可以越大一些；有桩基础的结构上抗倾覆能力比天然地基的抗倾覆能力好，所以高宽比也可以大些。其次，上部结构的刚度分布不同，结构的整体性也不同，若上部结构通过合理的结构设计能保证结构具有足够的刚度，以使结构在地震作用下和风振下都不会有过大的动力反应，高宽比也可以大些。比高层建筑更细柔的高耸结构设计时并不用H/B来控制，而是通过计算确定附加弯矩等不利因素从而采取相应的措施，安全性同样能得到保证。因此，当有设计经验时，可以通过合理的基础和上部结构设计来考虑结构整体性和抗倾覆性的要求，突破高宽比的限值。

6. 转换层上下层的刚度比
底层大空间剪力墙结构（框支结构）为使刚度不致突变，规范要求转换层上、下层的刚度比尽量接近1，抗震设计时小于2，即：
Gi+1Ai+1 hi
γ= • ≤2 （1）
GiAi hi+1
设计中，为满足此要求，增加转换层以下层的剪力墙数量（面积）是最有效和最合理的，但这往往受到限制，而提高混凝土等级所产生的效果比较有限。设计中可以通过减小转换层以上层的剪力墙数量（面积）来达到减小γ的目的，可将塔楼较长肢的剪力墙用轻质墙隔为短肢墙，即上部为短肢墙结构，这样既能有效地减小T，又能减轻自重及地震作用，达到经济目的，我们在许多工程设计中采用了此方法，效果良好。
另外，有时剪力墙在地面处需要转换（地下室停车需要大空间等），而地下室层高受到限制不允许有较高的框支梁，此时可以将一层的剪力墙当作框支梁看待。因为框支梁与剪力墙都为钢筋混凝土现浇结构，人为的定义只是为了分析传力而己，实际上框支梁与剪力墙是共同受力的。如果将一层的剪力墙适当加厚，参照框支梁的配筋构造要求进行布置钢筋，此时就可以不再需要另外设置框支梁了，这在实际工程设计中能较好地满足使用要求。
顺便指出，目前确定转换层上、下刚度比的公式也值得商榷。首先，上、下层的刚度比用式（1）来控制似有不妥，公式中没有考虑竖向构件的布置问题，布置在中间的剪力墙和布置在外围的剪力墙对层刚度的贡献是不同的，抗侧刚度中弯曲刚度的作用有时是很大的，不应忽略。

7 侧向位移的限值
高层建筑结构的水平位移随着高度增长而迅速变大，为防止位移过大，规范对顶点位移和层间位移都作了一定的限制。
控制顶点位移u/H的主要目的是保证居住、工作的人有舒适感和防止房屋在罕遇地震时倒塌，但人的舒适感主要与结构的自振周期和顶点的加速度有关，而与顶点位移的大小基本上没有什么直接关系，所以用控制u/H来保证人的舒适度是不合理的。另外，u/H较大的结构只是可能会倒塌，而结构遭遇到强烈地震时能保证不倒塌的关键，是结构构件、体系应具有足够的变形能力和耗能能力，如采用一些减振、隔振装置，关键部位用钢骨混凝土等。控制房屋在罕遇地震时倒塌与否的条件是结构极限变形能力而不是u/H限值。
控制层间位移u/h的主要目的是防止填充墙、装饰物等非结构构件的开裂和损坏，但目前的限值中没有明确u的定义，楼层形心处的水平位移值和角点处的水平位移值有时会相差很大，上下两层的水平位移差与层转角的含义又不同，下层转动引起的上层刚性位移对构件内力并不产生内力，弯曲产生的变形和剪切产生的变形对构件内力的影响也是不一样的。因此，虽然u/h有限值要求，但不同的算法所得的数值有时会相差几倍，所以u/h实际上失去了指导设计的意义。另外，衡量填充墙、装饰物等非结构构件的开裂和损坏与否，用△u/h来控制也不是最妥当，如非结构构件与主体结构之间是刚性连接，则应主要看其主拉应力是否超出材料的开裂强度和破坏强度；若非结构构件与主体结构之间是柔性相连且连接材料具有较好的变形能力，则u/h超出限值也并不会破坏。
8、论文结束语
目前新高规和新抗震规范的改进。对高层建筑结构设计的要求不断地完善，作为工程设计人员必须充分地理解新规范软件的编制原理，密切结合新规范和工程实际情况，不断地提高工程设计水平。