论现代高层建筑的结构设计

摘要：本文论述了现代高层建筑的结构设计要点，并指出了在现代高层建筑结构设计中需注意的问题及需控制的主要指标，为设计的同行进行高层建筑结构设计提供参考。

关键词：高层建筑结构概念设计设计指标

随着经济和科学技术的快速发展，城市人口逐渐增多，可利用的土地资源越来越少，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 概念设计

概念设计一般指对难以作出精确理性分析或规范中难以规定的问题，不经数值计算，而是依据简化力学模型、分析结构破坏机理以及日常工程实际所积累的经验，从整体角度来确定结构的总体布置和对抗震细部的宏观控制。其主要内容如下：

1.1 结构规则性

结构的平面布置宜简单、规则、对称，使得建筑物质量分布均匀和结构刚度协调，平面规则的结构受力明确、传力简洁，具有良好的整体性。实际上，由于建筑外形及使用上的要求，要做到平面规则是比较困难的。对此，结构设计人员对整个结构模型要有宏观的把握，进行结构布置时使刚心与质心尽量重合，减小因偏心而引起的扭转。

结构竖向布置应使体型规则、均匀，结构的刚度及承载力和传力途径没有太大的变化，避免有较大的外挑或内收，避免侧向刚度和承载力的突变面形成薄弱层。

1.2 结构延性

结构延性是指结构吸收地震能量后的变形能力。结构延性设计是高层结构概念设计的一项重要内容。结构主要靠延性来抵抗地震作用产生的非弹性变形。延性后的结构吸收地震能量后，出现塑性铰，从而引起结构的内力重分布，以继续抵抗地震的作用。这就要求结构满足“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件” 的设计原则。控制竖向构件的轴压比对结构的延性至关重要，轴压比的大小反映出结构延性的好坏。轴压比越小，结构的延性越好，但会增加建筑成本。把轴压比控制在一个合理的范隔内，既能保证结构的延性，也能节约成本。

2 结构选型

高层结构常见的结构体系有框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构和筒体结构等。

2.1 框架结构

框架结构是梁和柱通过节点构成的承载结构。框架结构由于其平面布置的灵活性，使得建筑获得较大的使用空间，能满足较多的功能要求。但是框架结构的抗侧刚度较小，在风荷载或水平地震荷载作用下，结构的整移和层间位移都较大。随着建筑高度的增加，框架结构的经济性和安全性均存在不合理的问题，因此在使用层数上受到了限制。

2.2 剪力墙结构

在剪力墙结构中，剪力墙承受全部的垂直荷载和水平力。剪力墙结构相对于框架结构而言，具有良好的侧向刚度和规整的平面布置，空间整体性好，水平位移和层间位移小，有一定延性，传力直接、均匀，对抵抗水平荷载作用十分有利。但剪力墙体系的平面布置灵活性差，使用上受到很大的限制，适用范围小。

2.3 框架-剪力墙结构

当框架结构的强度和抗侧刚度满足不了要求时，往往需要在适当的位置布置一些剪力墙，通过剪力墙和框架柱共同抵抗水平荷载的作用，这种结构称为框架-剪力墙结构。这种结构既具有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的延性。

2.4 筒体结构

筒体结构主要包括单筒体-框架、筒中筒、多束筒等形式，能满足更多层数的要求，常见用于超高层结构中。筒体结构具有很大的刚度和强度，受力合理，在平面布置及满足功能使用上有明显的优势。随着建筑往更多层数方向发展，这种结构形式的应用会越来越广泛。

3 埋深及嵌固端

高层建筑基础要求具有一定的埋置深度.其目的是为了保证结构的整体稳定性，减弱震害。确定基础埋深时，应综合考虑建筑物的高度、体型、地基土以及设防烈度等因素。基础埋深一般从室外地坪算至基础底面或承台底面。《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3―2002)》(以下简称《高规 )规定基础埋深需满足以下2条规定：（1）天然地基或复合地基可取房屋高度的1／15；（2）桩基础可取房屋高度的l／l8。

正确选定结构嵌固端是结构计算模式中的一个重要假定，它关系到结构某些构件内力分配的正确性、影响结构产生位移的真实性以及结构局部的经济性：当高层建筑设有地下室时，若地下室全埋于土中，地基土对地下室有明显的约束作用，则可将地下室顶板作为上部结构的嵌同端；若地下室半埋于土中或是开敞式地下室，则需计算地下室结构的侧向刚度是否大于或等于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。当满足此条件时，则可将地下室顶板作为嵌固端。当高层建筑不设有地下室时，可将基础面作为上部结构的嵌固端，还须在纵横2个方向设基础粱加以连接。

4 主要设计指标

在结构整体性能设计中，应对以下主要设计指标加以控制。

4.1 位移比

位移比是判断结构平面是否规则的重要依据。《高规》规定：在考虑偶然偏心影响地震作用下，A级高度高层建筑的位移比不宜大于1.2，不应大于1.5；B级高度高层建筑、混合结构、复杂高层结构的位移比不宜大于1.2，不应大于1.4。

4.2 周期比

周期比为以结构扭转为主的第一自振周期T1与以平动为主的第一自振周期T1 之比。限制周期比是为了控制结构的抗扭刚度不能太弱。可通过调整抗侧力结构的布置，减弱内筒的刚度，增加结构周圈构件的刚度等措施来增加结构的抗扭刚度。《高规》规定：A级高度高层建筑的周期比不应大于0.9；B级高度高层建筑、混合结构、复杂高层结构的位移比不应大于0.85。

4.3 刚度比

刚度比指结构竖向不同楼层的侧向刚度的比值，调整该值主要为了控制高层结构的竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。《高规》规定：高层建筑结构其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％或其上相邻3层侧向刚度平均值的80％。

4.4 刚重比

刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它是控制结构整体稳定的重要指标，是影响重力二阶效应的主要参数 通过对结构刚重比进行控制，可使高层建筑满足稳定性要求。

4.5 轴压比

轴压比指针对柱(墙)考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱(墙)的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。它是影响墙柱抗震性能的主要因素之一，是保证竖向构件具有良好延性和耗能能力的主要指标。

5 结束语

结构工程师在进行高层建筑结构设计时，应对建筑有总体的概念把握，对结构设计中的难点、关键部分要着重优化设计。面对经济性与安全性这一对矛盾，通过合理的结构优化来达到双赢，既能很好地满足安全性的要求，也能达到经济性的要求。