高层建筑竖向结构设计分析

王雪涛

大象建筑设计有限公司 310000

摘要：结构抗震概念设计对结构的抗震性能起决定性作用，而结构布置则是概念设计的重要体现，本文通过结合实践经验，针对结构的竖向布置而展开探讨，提出如何布置有利的高层建筑结构竖向构件，为同行提供借鉴。

关键词：结构设计；竖向布置；结构布置

一、结构竖向布置技术要求

对由风荷载控制的高层建筑，由于作用于房屋的风荷载标准值是随离地面的高度加高而增大，故宜采用上小下大的梯形或三角形立面。其优点是可有效地缩小了较大风荷载值的受风面积，使楼房下部的风载倾覆力矩较大幅度地减小；而且从上到下楼层的抗推刚度和抗倾覆能力增长较快，与风载水平剪力和倾覆力矩的增长情况相适应；楼房周边向内倾斜的竖向承力构件轴力的水平分力，可部分抵消各楼层的风荷载水平剪力。抗震设计的高层建筑，其立面形状宜规则、简单，也应该采用矩形、梯形、三角形或双曲线梯形等沿高度均匀变化的简单几何图形。当采用三角形、梯形、双曲线梯形等上小下大的简单立面形状的高层建筑，由于整个建筑的质心位置下降，地震倾覆力矩减小，将取得与抗风同样的经济效果。台阶多次逐渐内收的立面形状，也是较好的立面形状。不规则立面形状的高层建筑，地震作用下高振型的不利影响加剧；同时平面尺寸突然减小的楼层.可能因塑性变形集中效应而使其层间侧移值成倍地增长，对抗震不利。

二、竖向构件布置

结构的竖向布置要做到刚度均匀而连续，避免刚度突变，避免薄弱层，抗震设计结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小。构件上下层传力直接、连续。当底层或底部若干起取消部分剪力墙或柱子时，应加大落地剪力墙和下层柱的截面尺寸，尽量减少刚度削弱的程度，避免产生刚度突变，并提高这些楼层的楼板厚度。

如果建筑功能需要从中间楼层取消部分墙体时，则取消的墙不多于总墙量的1/4。日本阪神地震，中间部分楼层破坏是一个显著特点。许多8～10层的框架结构在第4、5层的部分柱子被压坏，造成上部楼层下落，重叠在一起。原因可能就是中部楼层柱子截面尺寸、材料强度改变或取消了部分剪力墙，在 中部楼层产生刚度或承载力突变，从而形成结构薄弱层。

如果在顶层取消部分剪力墙或内柱，顶层取消的剪力墙也不宜多于总墙量的1/3。框架取消内柱后，全部剪力应由外柱箍筋承受，因此对于顶层柱的箍筋应全部加密。对高层建筑结构竖向体型的不规则，除了在收进和外挑的水平尺寸上作出规定外，还在以下两方面加以限制：1）抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度与相邻上部楼层侧向刚度的比值。2）高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力与上一层的比值。

三、竖向结构规则性布置

建筑结构的规则性对结构的抗震能力至关重要，南美洲的马那瓜地震中两幢相隔不远的高层建筑的震害情况很能说明问题。对比二栋高层建筑，相隔不远，一幢是15层的中央银行，另一幢是18层的美洲银行大厦。前一幢的建筑结构严重不规则，地震时破坏严重，地震后拆除，后一幢建筑结构很规则，地震时只轻微损坏，地震后仅稍加修理便恢复使用。对于中央银行来说，其平面不规则具有极大的扭转偏心效应，4层以上的楼板仅50mm厚搁置在14m长的小梁上，小梁的全高仅450mm，这样一个楼面体系是十分柔弱的，抗侧力的刚度很差，在水平地震作用下产生根大的楼板水平变形和竖向变形。另外，该建筑的竖向不规则性体现在，塔楼的上部（四层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在四层楼板水平处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（柱子的間距达9.4m）。形成上下两部分严重不均匀，不连续的结构系统）。由于这样的不规则结构，该建筑在这次地震中遭受了以下的主要破坏：第四层与第五层之间（竖向刚度和承载力突变），周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；横向裂缝贯穿三层以上的所有楼板（有的宽达10mm），直至电梯井的东侧；塔楼的窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其他非结构构件均严重破坏或倒塌。

通过对这幢建筑在地震后进行了计算分析，分析结果表明：①结构存在十分严重的扭转效应；②塔楼四层以上北面和南面的大多数柱子抗剪能力大大不足，率先破坏；②在水平地震作用下，柔而长的楼板产生可观的竖向运动等等。震害表明，框架柱或剪力墙不连续，楼层柔弱或楼板大开洞等，往往会造成结构不规则的地震作用传递途径。如果这些不规则传力部位处相邻构件的强度差异较大，就容易引起这部分构件的非弹性变形集中，这些部位都是抗震上的不利之处。

实际上引起建筑结构不规则的因素还有很多，特别是复杂的建筑体型，很难—一用若干简化的定量指标来划分不规则的程度并规定限制范围，但是，有经验的、有抗震知识素养的建筑设计人员应该对所设计的建筑的抗震性能有所估计，要区分不规则、特别不规则和严重不规则等的不规则程度，避免采用抗震性能差的严重不规则的设计方案。

四、工程实例

某公寓楼地下1层，地上南楼22层，北楼23层，结构高度为73.200 m，另有2层局部突出，结构最高点高度为79.800m，结构平面尺寸为22.4m×44.4m，高宽比为3.26，公寓楼单体建筑面积约2万m2。抗震设防烈度为6度；设计地震分组为第一组；基本地震加速度值为0.05，建筑场地类别为iii类；建筑结构抗震等级：剪力墙为三级，框架四级，框支柱二级，建筑结构的阻尼比取0.05；基本风压取0.9kn/m2，；结构体系为部分框支剪力墙。

建筑设计方案造成结构平面与竖向布置不规则，一方面，南北两幢楼两个主轴方向剪力墙布置刚度差异较大，且因建筑要求不能在剪力墙和框架柱处连续布置，抗侧力体系连接较薄弱；另一方面由于建筑要求外立面开有较大的落地窗，周边剪力墙较少、多为一字形墙，有墙垛者也较小，仅为500mm长，并设有角窗；角部既无墙亦无柱致使结构平面布置不规则，抗扭刚度较小。对原设计的结构电算表明：公寓楼的第一振型为扭转平动耦合振型，按《高规》其扭转基本周期与平动基本周期之比不应大于0.9，而本工程计算结果大于1.1。结构竖向布置，由于消防车道的架空的要求，北楼北侧的剪力墙无法落地，只能框支转换。少数转换大梁支承在单片墙上，致使结构坚向布置不规则。

本工程除综合模型的分析结果进行结构设计外，还采取了以下构造措施：剪力墙的布置根据不同的平面位置采用不同的墙体厚度，周边的剪力墙厚一些，小间部位的剪力墙薄一些，同时对剪力墙的布置及连梁高度进行优化，适当加高周边框架梁及连梁的高度至700mm，调整使得结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期比值为0.864小于0.9，楼层竖向构件的最大水平位移和层问位移小于该楼层平均值的1.4倍。同时加大一字形山墙的竖向配筋，角窗部位的楼板内加设斜向构造粗钢筋，且转换构件层上下楼板厚度加大刚度加大。

五、结语从工程实践表明，对于高层建筑的竖向体形宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用严重不规则的结构。应以结构在水平荷载（地震作用；风荷载）作用下产生最小的内力和变形为最佳。

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