高层建筑结构设计中的若干问题探讨

【摘要】随着城市化发展以及建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多，高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性，本文对高层建筑结构设计中的几个问题进行探讨。

【关键词】 高层建筑 结构设计 优化设计

引言

随着社会生产力和科学技术的高速发展，城市人口逐渐增多，可利用的土地资源越来越少，这势必会使建筑往高空延伸，高层建筑逐渐成为衡量一个城市发展的软指标，因此，高层建筑的结构设计也逐渐成为人们关注的焦点。结构工程师在高层设计中如何把握设计要点，直接影响到整体结构的安全性、经济性及合理性。

1、高层建筑结构设计的特点

多层和高层结构的差别主要是层数和高度。但是实际上，多层和高层建筑结构没有实质性差别，它们都要抵抗竖向及水平荷载作用，从设计原理及设计方法而言，基本上是相同的。但是在高层建筑中，要使用更多结构材料来抵抗外荷载，特别是水平荷载，因此抗侧力结构成为本工程结构设计的主要问题，设计时要满足更多的要求，尤其自身有别于多层建筑的特殊要求和设计特点。

(1)水平荷载成为控制结构设计的主要因素。结构内力、位移与高度的关系，除轴向力与高度成正比之外，弯矩和位移随高度都呈指数曲线上升，因此，随着高度的增加，水平荷载将成为控制因素。水平力作用下结构是否优化，材料用量将有很大差别。

(2)特别是在地震区，随着层数的增加，地震作用对高层建筑危害的可能性也比对多层建筑大，高层建筑结构的抗震设计应受到加倍重视，本工程位于非地震区，无需进行地震作用计算，仍需要考虑抗震的构造措施。

(3)侧移成为控制指标。与多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑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移变形迅速增大，因而应将结构在水平荷载作用下的侧移控制在某一限度之内。

(4)轴向变形不容忽视。高层建筑中竖向荷载数值很大，使得柱产生较大的轴向变形，从而会使得连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大。轴向变形还会对预制构件的下料长度产生影响，需要根据轴向变形的计算值调整下料长度进行。另外轴向变形对构件的剪力和侧移产生影响，如不考虑构件竖向变形将会得出偏于不安全的计算结果。

(5)结构延性是重要设计指标。相对于多层建筑而言，高层建筑更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了避免倒塌，特别需要在构造上采取合理措施，使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，即保证结构具有足够的延性。

2、高层建筑结构体系的分类

1.1高层建筑按结构材料划分

(1)钢筋混凝土结构体系

钢筋混凝土结构合理利用了钢筋和混凝土两种材料的协同受力性能特点，广泛应用于各种工程结构中。它具有取材丰富，造价较低，耐久性和耐火性较好，维护费用低，结构造型灵活，整体性能好等优点。由于这些优点使得钢筋混凝土结构成为我国传统的结构形式，在我国的高层建筑中占主导地位。

(2)钢结构体系

钢结构具有强度高，抗震性能好，构件截面小，工厂化生产程度高，施工方便，建设周期短，大跨度、大空间、多用途等特点。同时它也具有结构材料较昂贵，造价较高，钢材易于锈蚀，日后维护费用高，防火性能较差，设计施工技术较复杂等缺点。

(3)钢――混凝土混合结构体系

钢――混凝土混合结构将钢构件和钢筋混凝土构件两者并用，互相取长补短，既充分利用了钢构件具有的材料强度高，截面尺寸小，能提供较大跨度空间的优点，也利用了钢筋混凝土墙体或简体具有的较大的抗侧刚度和较高的抗震承载力等优点。正因为钢――混凝土混合结构能形成高效的抗侧力体系，用钢量较小造价较低，具有良好的技术经济效益，因而它在30～80层的高层建筑中得到了推广应用。

(4)钢――混凝土组合结构体系

钢――混凝土组合结构主要包括型钢混凝土结构和钢管混凝土结构，型钢混凝土结构是指混凝土内含型钢的劲性配筋混凝土结构，钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。钢――混凝土组合结构的优点是，在三向受压状态下极大改善了混凝土脆性性能，承载力高，抗裂性能和抗震性能较好，耐火性能优于钢结构，能在不显著提高造价的情况下增强结构的抗震性能，减小构件截面，施工时无需支撑和模板，施工速度加快。

1.2高层建筑按结构形式划分

多层及高层建筑中传统的、广为应用的是框架、剪力墙、框架一剪力墙结构体系。在高度较大的高层建筑中，应用较多的是框架――筒体结构、框架结构、筒中筒结构及多筒结构等结构体系。

(1)框架结构体系

框架结构体系采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构，并同时承受水平荷载，适用于多层或高度不大的高层建筑。框架结构的布置要注意对称均匀和传力途径直接。传统的结构布黄采用主次梁的作法为主，逐步向扁梁或无盖梁发展。框架柱是框架结构的主要竖向承重和抗侧力构件，以受压应力为主。框架体系的整体结构的抗侧移和稳定主要靠框架结构自身，其结构侧向刚度差，侧向位移大，因此一般适用于10―12层50m高度以下的建筑。当建筑层数较多时，框架结构的内力和位移很大，不宜选用纯框架结构体系。

(2)剪力墙结构体系

剪力墙结构体系是利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构体系。剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制，一般为3．8米。因而剪力墙结构适用于要求小房间的住宅、旅馆等建筑。剪力墙一般采用钢筋混凝土材料，可分为全部为现浇的剪力墙，全部用预制墙板装配而成的剪力墙，内墙为现浇、外墙为预制墙板的剪力墙。现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平力作用下侧向变形很小。墙体面积大，承载力要求也比较容易满足，抗震性能也较好。

(3)框架――剪力墙结构体系

框架――剪力墙结构是将框架和剪力墙结合在一起而形成的结构形式。它既有框架结构平面布局灵活、适用性强的优点，又有较好的承受水平荷载的能力，是高层建筑中应用比较广泛的一种结构形式。合理的结构设计，将能使框架、剪力墙两种不同变形性能的抗侧力结构很好地协同工作共同发挥作用。框架――剪力墙结构的选型布置设计中要注意以下几个方面。

1)剪力墙的部位。框架剪力墙结构中，框架、剪力墙两种变形性质不同的结构协同工作，使整体结构的抗侧刚度、抗侧能力大大提高，但与此同时楼屋盖受力较大，水平力将通过楼屋盖在框架柱、剪力墙两种结构体系中互相转移。当剪力墙数量较少时，应力集中的现象突出。剪力墙还应在整体结构两个主轴方向都均匀设置。使整个结构在两个主轴方向都呈框剪特性，这样有利于增大结构整体空间刚度和抗震、抗风。

2)剪力墙的合理数量。框架剪力墙结构有其自身的固有特性，它既不同于纯框架结构，又不同于纯剪力墙结构：要使框剪结构合理有效、可靠工作，剪力墙的数量决不能随心所欲，而应有一定的合适数量。

3)剪力墙的构成。框架剪力墙结构中剪力墙承受水平荷载作用下的绝大部分基底水平剪力和大部分总倾覆弯矩。其构成要遵循下列原则：1)宜墙面完整并设翼缘或端柱，在端柱或翼缘部分纵筋加强，约束箍筋加强；2)剪力墙不宜过长秃头，而应相对短些，每片剪力墙的高长比(墙总高与总长之比)宜控制在小于8―10，以减小剪力墙的剪切变形影响，发挥剪力墙的弯曲特性；3)轴压比要适宜，一般在垂直重力荷载下组合设计压力产生的轴压比宜控制在0．5左右，使之与框架柱的轴压比比较接近，以减小高层结构在垂直重力荷载作用下产生的二次应力的影响。

4)框架的构造要求。框架剪力墙结构中框架梁柱的截面尺寸仍宜按框架结构的要求来控制，以保证框架结构仍具有较好的抗侧能力和延性。但如果框架剪力墙结构中剪力墙的数量与设置合理，框架结构水平荷载下受力状态大大改善，则框架梁柱的截面尺寸可适当减小，框架的抗震构造等级也可相应降低。

3、高层建筑结构体系的新变化及其对选型决策的影响

随着高层建筑迅速地发展，层数越来越多，建筑造型越来越丰富多样，材料越来越高级，体型越来越复杂，结构体系越来越新颖，传统结构体系不断被变革、被创新，新结构体系不断出现。其特点有以下几个方面。

(1)结构体系自重的轻型化。结构体系中越来越重视采用轻质高强材料以减轻结构自重。

(2)结构体系的巨型化。建筑高度的不断提高和建筑使用功能上对特大空间的要求，促使巨型结构体系产生。

(3)柱网、开间扩大化。近几年，高层框架内柱网尺寸及高层剪力墙的开间尺寸有渐趋扩大之势。

(4)高层建筑结构体系中设置转换层。近年来国内外流行集办公、居住、商贸、娱乐为一体的高层综合体。为实现这种功能的综合化，结构选型往往是根据各部分建筑功能要求选择各自适宜的结构体系及合理的柱网尺寸，然后通过转换层的特殊处理将它们联系，组合在同一栋高层建筑中。

(5)高层建筑结构体系中设置加强层。设置加强层可以使外柱参与整体抗弯，增强结构体系整体抗侧能力，减小芯筒的弯矩，减小结构的侧移。

面对这些新变化，设计者一方面应建立起选型的新概念，积极掌握新的研究成果，吸收工程建设经验，在工程实例中正确选型，另一方面由于新的结构体系缺乏成熟的规范依据，在做选型分析时应充分试验，充分论证，提高设计的正确性和可信度。

4、高层建筑结构体系如何优化

如上文所说，每一种结构体系都有其适用的经济高度，对于同一栋高层建筑，往往可以有不同的结构体系可以选择。到底选择那一种结构体系比较经济合理，这就牵扯到结构体系优化的问题。在钢筋混凝土以及钢结构的设计中，有一些基本的原则能够改善结构的受力性能，提高结构的抗震能力，而不需要明显地增大建筑成本。

1)增加抗弯结构体系的有效宽度，以调整结构的抗侧刚度。这样做，是非常直接的，也是非常有效的。增加宽度可以直接增大抵抗力臂，从而减小抗倾覆力。从材料力学的基本知识可以知道，同样面积、抗倾覆力同结构宽度的关系不同形状，可以获得不同的其几何特征。例如：相等面积的条件下，工字形截面的截面惯性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圆形截面。根据这个原理，不难理解加大宽度以后，整个结构的抗侧刚度得到很大提高。在其它条件不变的前提下，侧移将按宽度增加的三次方的比例减小。当然，必须考虑“剪力滞后’’的不利影响，结构体系中竖向构件的水平连接应具有足够的刚性，才能真正达到上述效果。

2)设计结构分体系时，应使其构件以最有效的方式相互作用。例如，采用具有有效受力状态的弦杆和斜杆的桁架体系；在钢筋混凝土抗震墙内配置交叉钢筋，以增强其抗剪能力；调整构件刚度，使框架的刚度比达到最优以取得良好的受力效果。

3)增大最有效承受荷载构件的面积，充分发挥材料的自身强度，是结构工程师应该时刻考虑的问题以及应该具有的基本结构概念。例如，增大较低楼层框架柱和框架梁的截面高度或受压翼缘面积，就能够直接增大结构的抗侧刚度，有效减小侧向位移，从而改善结构的抗震性能。

4)水平作用的传递主要是依靠楼板，并且目前几乎所有的结构分析理论所采用的基本假定都是楼板水平刚度无限大。故此，每一层楼盖应该具有足够的刚度和连续性，以起到水平隔板的作用，使各抵抗外力的构件能够协同工作成为整体，而非各自独立。

5、结构构件的优化设计

上述主要是针对结构整体合理性的计算和调整，这一步则主要进行结构单个构件内力和配筋计算，包括梁，柱，剪力墙轴压比计算，构件截面优化设计等。

(1)软件对混凝土梁计算显示超筋信息有四种情况。1)当梁的弯矩设计值M大于梁的极限承载弯矩Mu时，提示超筋。2)在四级抗震及非抗震时混凝土截面受压区相对高度ζ>ζb，二、三级抗震时ζ>O.35(计算时取AS=0.3AS)，一级抗震时ζ>0.25(计算时取AS’=0.5AS)，提示超筋。3)当大于《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2．5％时，提示超筋。4)混凝土梁斜截面计算结果不满足最小截面的要求时，则提示超筋。

(2)剪力墙超筋的情况。1)剪力墙暗柱超筋。软件中设定的暗柱最大配筋率是4％，而各规范以边缘构件方式给出了剪力墙主筋的配筋面积，没有最大配筋率。所以当程序给出剪力墙超筋的警告信息时，可以酌情考虑；2)当剪力墙水平筋超筋时则说明该结构抗剪承载力不够，应予以调整；3)当剪力墙连梁超筋时，通常表明其在水平地震力作用下抗剪承载力不够。规范中允许在地震作用下对剪力墙连梁的刚度进行折减，折减后的剪力墙连梁在都会出现塑性变形，即开裂。但在进行剪力墙连梁设计时，应考虑其配筋是否满弹性变形时承载力的要求。

(3)柱的轴压比计算。软件在计算考虑地震作用下柱的轴压比时，采用的是地震作用组合下的的柱轴力设计值；软件在不考虑地震作用下柱的轴压比时，采取的是非地震作用组合下的柱轴力设计值。因此对于同一个工程，考虑地震力和不考虑地震力时柱的轴压比计算结果会不一样。本工程中框支柱最大轴压比为0．68，小于《抗震规范》的限值0．7。

(4)剪力墙的轴压比计算。为了保证结构在地震力作用下的延性，新的《高规》和《抗震规范》对剪力墙的轴压比均作了限制。需要指出的是，软件是按单向计算短肢剪力墙的轴压比时，与《高规》中规定按双向计算短肢剪力墙的轴压比有所不同。本工程底部加强区墙肢最大轴压比为0．48，小于《抗震规范》的限值0．6。

(5)构件截面的优化设计。上述得出初始设置的构件截面和形状合理，但还应进行优化设计，使构件在满足受力要求的前提下节省材料。需要注意的是，在进行截面优化设计时，要考虑到构件截面的减小将对结构的周期、位移、地震力等一系列参数产生影响，降低结构的整体安全性，不可盲目地减小构件的截面尺寸。

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