高层混凝土框架结构设计方法研究

摘  要：对于高层及超高层建筑来说，由于其特殊的抗震及抗风要求，较多采用框剪结构、剪力墙结构、筒体结构等体系。部分高层建筑受到使用功能限制，而采用混凝土框架结构。由于框架结构抗侧力较弱，结构抗震性能单一，对结构设计提出了更高要求。本文针对高层混凝土框架结构设计要点进行分析和总结，希望对高层混凝土框架结构的设计起到一定的参考作用。

关键词：高层建筑;钢筋混凝土;框架结构;抗震设计

中图分类号：TU375.05     文献标识码：A  文章编号：2096-6903（2020）11-0000-00

0引言

建筑物自古以来都是人类赖以生存和发展的重要场所，人类社会的不断进步和取得的丰硕成果离不开建筑物。建筑结构要做到安全、适用、经济等原则，保证建筑的安全性始终放在首要位置。为了满足社会经济发展和人类日益增长的物质文化需要，人类对于建筑的安全性也提出了越来越高的要求。

1高层框架结构设计概述

影响高层建筑结构设计的因素很多，除建筑自身布置的影响外，地震和风荷载对高层建筑影响较大。我国是地震多发的国家，在一些地区和重要城市，地震设防烈度较高;在沿海地区平均风压较大，对结构的安全性都提出更高的要求。

1.1设计目标

高层混凝土框架结构的设计应达到：“小震不坏”“中震可修”“大震不倒”的抗震设防目标[1]。通过对建筑结构的计算分析和优化设计，用经济的手段和措施达到预期的各项要求。

1.2水平与竖向设计

计算时通常把各层简化成单质点体系，水平力按照框架柱的侧向刚度进行分配，可计算出各楼层构件内力、各楼层侧向位移等。竖向力主要包括使用荷载和自重荷载。各楼层竖向荷载通过平面結构转递给结构柱。通过对楼层荷载组合、分配，可以计算各结构构件尺寸、受力及配筋。

1.3节点设计

框架结构抗侧向水平力主要依靠梁、柱节点相互作用来实现，单独依靠框架柱抗侧向水平力、控制侧向位移是不合理的。所以做好框架结构的梁、柱节点设计，对框架结构安全性起至关重要的作用。当结构中存在转换等特殊构件时，应对相关构件及部位进行补充计算，避免局部构件失稳。

2设计要点及方法

高层混凝土框架结构设计难点在于柱及结构平面合理布置[2]。以结构通用计算软件盈建科为例，按照规范要求，在结构设计时控制的目标参数主要有如下七个：

2.1轴压比

轴压比是柱轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比。抗震等级越高的建筑结构延性要求越高，轴压比限制也越严格。试验证明，混凝土强度等级，箍筋配置的形式与数量，均与柱的轴压比有密切的关系。调整轴压比的方法可采用增大柱截面、提高柱混凝土强度等级、采用螺旋箍筋、配置芯柱等。

2.2剪重比

剪重比为各楼层最小地震剪力，出于对结构安全的考虑，尤其对于基本周期大于3.5秒及存在薄弱层的结构，规范引入楼层最小地震剪力的要求。若计算地震剪力小于规定值，则需要按最小地震剪力完成计算。

2.3刚度比

刚度比是结构竖向不同楼层的侧向刚度的比值，该值为了控制高层结构的竖向规则性，避免竖向刚度突变，形成薄弱层。对于转换层结构刚度能否满足要求、地下室顶板能否作为嵌固端及薄弱层判断，均以刚度比作为判断依据。

结构类型不同时，计算所采用的结构刚度不同。对于多层建筑、底部为一层大空间结构及砖混结构应采用“剪切刚度”（Ki=GiAi/hi）;对于底部为多层大空间结构或有支撑钢结构应采用“剪弯刚度”（Ki=Vi/Δi）;而对于常规结构来说，可采用“地震剪力与地震层间位移的比值”（Ki=Qi/Δui）的方法[3]。

2.4 位移比

位移比即楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值。层间位移角为柱层间位移与层高的比值。为保证高层框架结构具有一定的刚度。

位移比受结构平面规则程度、结构层高等因素影响。当位移较大时，可适当改变结构平面布置，减小结构刚心与形心的偏心距;也可对较大位移构件刚度进行加强;或对较小位移构件刚度进行削弱，使位移比满足规范要求。

2.5 周期比

周期比主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响。周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，结构扭转效应过大。

周期比的调整可通过改变结构布置，提高结构的扭转刚度;一般的调整原则是加强结构外围框架梁、框架柱或斜撑的刚度，适当削弱中间框架的刚度。当第一振型为扭转时，说明结构的扭转刚度小于平动侧移刚度，应平动主轴适当加强结构外围的刚度，适当削弱结构内平动刚度。

2.6 刚重比

刚重比为结构侧向刚度与重力荷载设计值之比。是影响重力二阶效应的主要参数，重力二阶效应随着结构刚重比的降低呈双曲线关系增加。高层框架结构在水平荷载作用下，若重力二阶效应过大时可能会引起结构的失稳。

刚重比不满足规范要求时，表明结构刚度相较于重力荷载过小，而刚重比过大时结构经济、技术指标较差，可适当减小框架柱的截面尺寸。

2.7 层间受剪承载力比

该比值是为了控制结构竖向不规则性，避免竖向楼层受剪承载力产生突变，而形成薄弱层。层间受剪承载力比不满足规范要求时，可适当提高相应楼层或降低上部相关楼层框架柱的构件强度来解决。对于形成的薄弱层应按规范要求采取加强措施。

3设计时应注意的问题

（1）高层框架结构设计时，应尽量使各层刚度相近，避免形成薄弱层。结构布置方案尽量避免采用转换结构、平面不宜采用高位收进、中间楼层不宜进行抽柱设计。对于一般的高层框架结构，应对层高较高的嵌固层及相关楼层进行刚度和水平承载力进行加强。

（2）结构平面布置应尽量规则对称、楼面荷载应尽量做到均匀分布、避免局部楼层荷载过度集中、楼面开洞及凸凹尺寸尽量小于30%，以减小高层框架结构产生显著的扭转效应。

（3）高层框架结构侧向位移较大，防震缝、沉降缝和伸缩缝的设置宽度不宜过小，防止结构在强震作用下发生严重的碰撞破坏。另外，高、低层框架结构连接构造应合理。

（4）钢筋混凝土结构楼梯的刚度较大，高层框架结构设计过程中，应合理考虑楼梯刚度对主体结构的影响。当楼梯对主体结构产生刚度不均、扭转效应等不利影响时，应将楼梯板按照滑动支座设计;当楼梯对主体结构的规则性有利时，可适当考虑楼梯的侧向刚度，将楼梯板按固结支座设计，在结构整体计算时应予以考虑。

（5）当高层框架结构有突出屋顶的小出屋面时，在结构高阵型的影响下，小屋面結构会产生鞭梢效应[4]，在强震作用下容易发生严重震害。在设计过程中，应对屋顶小出屋面进行地震力放大，确保屋面及相关部位结构安全。

（6）高层框架结构基础较多采用天然基础和桩基础。当采用天然基础时，基础埋深[5]不宜小于房屋高度的1/15;当采用桩基础时，基础埋深不宜小于房屋高度的1/18;且高层建筑基础底面不宜出现零应力区。当基础不满足埋深等要求时，应对基础结构进行抗倾覆和抗滑移验算。同时应在荷载和沉降较大处底层框架柱上设置沉降观测点，做好高层框架结构的沉降观测。

4结语

高层框架结构抗震设防单一，在结构设计时应设置多道抗震防线，构件应按照超静定体系设计;优化结构布置，避免出现超限项，使结构具备一定的安全储备和良好的抗震性能;注重结构概念设计，合理采用抗震构造措施。从而实现高层框架结构“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标，最大限度的保证生命和财产安全。

参考文献

[1] 李伯顺.钢筋混凝土结构抗震设防目标与性能评估[J].门窗，2018（11）：195.

[2] 魏琏.王森.中国建筑结构抗震设计方法发展及若干问题分析[J].建筑结构，2017（1）：3-9.

[3] 许崇伟.黄勤勇.层高突变对高层建筑楼层刚度的影响及其对策[J].建筑科学，2006（4）：16-17.

[4] 雷雨润.高层建筑结构中抗震概念设计的应用[J].建设科技，2017（8）：80

[5] 戚明军.石涛.雷珂娜.高层建筑基础埋深对复合地基稳定性的影响研究[J].地震工程学报，2014（4）：975.

收稿日期：2020-10-08

作者简介：孙开天（1987—），男，浙江杭州人，硕士，工程师，研究方向：结构工程。