剖析高层建筑结构设计要点

王浩

摘要：随着我国国民经济不断发展和人民生活的迅速提高。业主及建筑师的创新艺术使得钢筋混凝土高层建筑发展被广泛应用。高层建筑结构设计给工程设计人员提出了更高的要求，本文就结构设计中应注意的几方面问题进行探讨。

关键词：高层建筑；结构设计；原则

1、高层建筑结构的荷载与地震作用

作用于高层建筑上的荷载可分为两类：竖向荷载，主要包括建筑的自重荷载、楼（屋）面活荷载以及竖向地震作用；水平荷载主要包括风荷载和水平地震作用。

1.1 竖向荷载。对于一个建筑物的最初的方案设计，建筑师考虑更多的是它的空问组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。

1.2 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。

1.3 计算高层建筑结构水平地震作用的基本方法是振型分解反应谱法。它适用于任意体型、平面和高度的高层建筑。而对于那些建筑结构较为复杂的高层建筑宜采用弹性时程分析法进行补充计算。

2、结构布置阶段

对于高层结构而言，在工程设计的结构布置选型阶段，结构工程师应该注意以下几点。

2.1 结构平面布置

首先要确定梁、柱、基础等在平面的位置。而且必须考虑到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。结构平面布置应遵循对称、规则、简单的原则，避免凹角和狭长的缩颈部位，避免在凹角和端部设置楼电梯间；避免楼电梯间偏置。平面长度不宜过长，控制L/B的大小。对称性对于建筑结构的抗震非常重要。对称性包括建筑平面的对称、质量分布的对称、结构抗侧刚度的对称三个方面。最佳的方案是使建筑平面形心、质量中心、结构抗侧刚度中心在平面上位于同一点上，而在竖向则位于同一铅垂线上，简称“三心重合”。

2.2 结构竖向布置

2.2.1高宽比要求

根据结构形式的不同，规范规定了结构适用的最大高宽比H/B的限值，随抗震设防烈度的提高，H/B限制应该更严。结构高宽比的要求：從整体上看，建筑物好比一个顶部自由、底部嵌固于地基上的悬臂柱，承受竖向荷载和侧向荷载的共同作用。在抗震设计中，该悬臂柱的长细比对结构的内力和侧移有较大的影响，建筑物的高宽比可能比它的绝对尺寸更重要。建筑物越细长，地震的倾覆作用越厉害，外侧柱子的内力也越大，建筑物的侧向位移也越大。因此应对建筑物的高宽比进行限制。

2.2.2 连续性要求

连续性是结构布置中的重要方面，而又常与建筑布置相矛盾。建筑师往往希望从平面到立面都丰富多变，而合理的结构布置却应该是连续的、均匀的，不应使刚度发生突变。

3、高层建筑结构设计要求与计算原则

3.1 设计要求

3.1.1承载能力要求。高层建筑地基承载力的计算应以理论计算为主，不宜采用硬性的查表进行结论，并且要按照现场载荷试验来确定，采用规范的公式进行计算，这样得出的承载力具有一定的安全储备。

3.1.2抗震验算和抗震构造措施的要求。甲、乙类建筑：当该地区的抗震设防烈度为6～8度时，应符合该地区抗震设防烈度提高一度的要求；当该地区的设防烈度为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。当建筑场地为Ⅰ类时，应允许仍按该地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。丙类建筑：应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施；当建筑场地为Ⅰ类时，除6度外，应允许按该地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施。稳定、变形的要求。

3.1.3 框架柱、梁、筒体、剪力墙的设计要求。

⑴框架柱、框支柱应符合下列要求：

①宜采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱；

②柱端弯矩增大系数`ηc`对框架结构，二、三级分别取1.5，1.3；对其他结构中的框架，一、二、三、四级分别取1.4、1.2、1.1和1.1。柱端剪力增大系数`ηvc`对框架结构，二、三级分别取1.3，1.2；对其他结构类型的框架，一、二、三、四级分别取1.4、1.2、1.1和1.1。

⑵框架梁应符合下列要求：

①梁剪力增大系数`ηvb`一、二、三级分别取1.3，1.2和1.1；

②抗震设计，框架梁端截面组合的剪力设计值四级时可直接考虑地震作用组合的剪力设计值。

⑶筒体、剪力墙应符合下列要求：

①剪力墙竖向和水平分布钢筋的配筋率，一、二、三级时均不应小于0.25%，四级和非抗震设计时均不应小于0.20%。

②框架-剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系，抗震设计时，结构两主轴力方向均应布置剪力墙；框支剪力墙结构的落地剪力墙底部加强部位边缘构件宜配置型钢，型钢宜向上、下各延伸一层。

⑷框筒梁和内筒连梁应符合下列要求：

①当跨高比不大于2时，宜增配对角斜向钢筋；

②当跨高比不大于1时，宜配采用交叉暗撑。

3.2 计算原则

结构计算的一般原则与一般结构设计相同，多高层建筑结构设计应当保证在荷载作用下结构有足够的承载能力及刚度，以保证结构的安全和正常使用。在使用荷载作用下，结构应处于弹性阶段或有荷载小的裂缝出现。结构应满足承载能力及水平位移限值的要求。

3.2.1进行弹性及弹塑性分析。我国规范规定在风荷载作用下，内力及位移分析采用弹性计算方法。抗震设计的两阶段设计计算方法不同，在第一阶段内力及位移分析采用弹性计算方法，在第二阶段，采用弹塑性时程分析方法校核变形。

3.2.2静力分析与动力分析。时程分析方法是动力分析，通过动力分析求得结构的运动状态，由每个时刻的位移再求得每个时刻的内力，时程分析方法可分为弹性时程分析和弹塑性时程分析。

3.2.3计算基本假定。对结构进行分析时，首先分析结构的动力特性，在分析结构的变形及内力。在需要时，在进行时程分析。对结构工程师的要求是：合理运用简化假定，善于抓住主要。

4结语

经济的日益发展，越来越多的高层建筑出现，对于建筑工程师来说是一个极大的挑战。众所周知，低层建筑结构通常以抵抗竖向荷载为主，水平荷载对其影响较小，一般可以忽略。但高层建筑结构中，较大的建筑高度造成了与底层结构完全不同的受力情况，水平荷载不仅是主要荷载的，跟竖向荷载共同作用，而且往往还成为设计中的控制因素。随着高层建筑总高度的增加，其侧向位移增加的速率则更大，而底部弯矩也同样很大，过大的侧向变形会使结构在竖向荷载作用下产生附加应力，会使填充墙、建筑装修和电梯轨道等服务设施出现裂缝、变形，甚至会导致结构性的损伤或裂缝，从而危及结构的正常使用和耐久性。因此，高层建筑结构不仅要有足够的强度，而且要有合理的刚度。

参考文献：

[1]蒋济同；杨松；；关于高层建筑结构转换梁的设计建议与应用[A]；第七届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C]；2007年

[2]王广东；复杂高层建筑板式转换结构抗震性能研究[D]；西安建筑科技大学；2012年