浅淡当前高层建筑结构设计

摘要：面对我国高层建筑规模越来越复杂化的今天，结构工程师面临巨大挑战，如何以简单清晰的思路应对设计多元化，需引起足够重视。电算已取代传统手算成为未来主导，对电算参数的设定，电算结果的判断，以及现有技术手段所不能详细分析的构造细部，都需要加以注意。

关键词：高层建筑;规范标准 ; 结构设计 ; 结构电算

中图分类号：TU97文献标识码： A

引言

随着近年来我国国民经济整体稳步持续的发展，国内各行业都得到了巨大的发展，其中，作为关乎国计民生的建筑行业，得益于国家在基础建设方面投入的大量资金，人民审美需求的提高，以及国际投标引入的新概念，促使了建筑形式，建筑技术，建筑材料等的多元化发展与创新变革。其中钢筋混凝土结构因为工程积累经验多，施工技术成熟，材料供应便捷等诸多优点，暂时还是使用率最高的结构材料形式。

1.当前我国高层建筑结构设计现状介绍

由于当前建筑用地紧缺，以及一、二线城市资源汇聚，办公、住宅的需求量日益增加，增加建筑物高度是解决此两者矛盾的最有效手段。根据一些报导，目前全球在建摩天大楼的87%是在中国，相信在未来，高层建筑设计将在建筑设计业成为主流。

高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构设计相比较，结构专业在各专业中占有更重要的地位，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期的长短和投资造价的高低。以笔者近几年的观察来看，对于超高层建筑，因为使用空间对结构构件尺寸的限制，钢—混结构占的比重较大；而普通高层建筑，特别是100m以下的住宅建筑，仍然以普通混凝土结构为主导，其中又以剪力墙结构最为主流。

根据以往地震震害的统计结果，砖混结构，特别是底框—砖混结构的震害较严重。因此新规范对此类结构形式的要求加严，除非震要求外，抗震区已经限定高度，均在高层建筑高度限值外。

2.高层建筑主体结构设计的常遇问题

2.1结构的简单性

结构布置应力求简单明了，在地震作用下具有直接和明确的传力路径，结构的计算模型、内力和位移分析以及限制薄弱部位出现易于把握，可增加抗震性能估计的可靠度。规范采用强制性条文明确规定了建筑不应采用严重不规则的方案，抗震规范与高层规范在相应章节都以图表形式给出了结构规则性的定量要求，例如《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010表 3.4.3-1规定平面凹进的尺寸，不大于相应投影方向总尺寸的30% 。结构设计时应首先考虑遵守此类条文规定，以免图审环节过于繁琐，增加设计出图周期。

2.2结构的超高

这里所讨论的“高”，简单的来说指的是建筑结构的总高度。规范按结构体型不同，对高度有不同要求，并且按高度不同，区别了A级高度与B级高度的条文规定，超过相应高度限值，均应遵守相应条文要求。“超高”还指高度超过一定数值时，计算数据的变更。例如高度起来60m时，风荷载取基本风压的1.1倍计算；高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法计算，但是对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。

2.3嵌固端的设置

在地下室的结构中，嵌固端的位置历来是个难题，特别对于由于室外地面有坡度造成的嵌固端下移，而结构又没有设缝造成的多塔结构，需引起注意。

对于地下室顶板作为上部结构的嵌固部分，规范有规定侧向刚度不宜小于地上一层的2倍。嵌固部分带来的混凝土强度、楼板厚度、配筋率，相关范围的抗震等级，PKPM计算模型参数的设定等一系列问题，都需要满足规范的条文规定。特别是当地下室使用无梁楼盖，需注意地下室在相关范围的顶板应采用现浇梁板结构，抗震规范的条文说明规定，“相关范围”一般可以从地上结构周边外延不大于20m，在此范围内为了满足侧向刚度比的要求而带来的净高问题，也是需要在设计时专门复核。

2.4短肢剪力墙设置

受建筑使用空间的预制，结构布置中经常会出现短肢剪力墙的情况。

规范规定短肢剪力墙是指截面厚度不大于300mm、各肢截面高度与厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墙。而广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ 15-92-2013，第7.1.8条注1规定，短肢剪力墙指截面高度不大于1600mm且截面厚度小于300mm的剪力墙。

抗震设计时，高层建筑结构不应全部采用短肢剪力墙；B级高度高层建筑以及9度的A级高度高层建筑，不宜布置短肢剪力墙，不应采用具有较多短肢剪力墙结构。

2.5 结构构件的相互关系

结构构件总的来讲，分为竖向构件与水平构件。水平构件负责承担自重等竖向荷载，并传递给竖向构件。竖向构件负责把水平构件传递来的竖向荷载逐层传递至基础，并在水平方向上承担由风荷载、地震引起的水平剪力及倾覆弯矩。

现在结构设计以抗震设计为主导，而结构抗震概念设计的目的是使整个结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现敏感的薄弱部位，而地震能量的耗散仅集中在这极少数薄弱部位，导致结构过早破坏。抗震设计需要设计人员对结构体型的破坏顺序有个总体把握，钢筋混凝土结构（以框架-剪力墙结构为例）在地震作用下结构塑性发展过程如下：边梁剪力墙框架梁框架柱；构件的弯曲变形特征明显，并主要通过构件的弯曲变形耗散地震能量。钢筋混凝土结构的抗震设计遵循“五强四弱”的原则：强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强压弱拉、强柱根。结构破坏时，其连接不失效、剪切不失效，节点不破坏。

3.地基与基础设计问题

作为建筑结构的最底层构件，基础承托上部结构传递来的荷载，并将其传递至地基。基础设计为结构设计的根本，处理不当，往往出现牵一动全身的连锁反应。

应选用整体性好，能满足地基承载力和建筑物容许变形要求的基础形式，以调节不均匀沉降，达到安全实用和经济合理的目的。根据上部结构类型、层数、荷载及基底土层的承载力及压缩模量，可逐次考虑采用独立柱基、条形交叉梁、满堂筏板或箱形基础、桩基、桩筏。其中筏板基础可以是梁板式和平板式，当建筑物层数较多、地下室柱距较大、基底反力很大时，宜优先采用平板式筏基。多高层建筑宜设置地下室以减少地基的附加压力和沉降量，以利于满足天然地基的承载力和增加上部结构的整体稳定性。基础有一定的埋置深度，对房屋抗震有利，可以减小上部结构的地震反应。同时，由于基础有一定的埋置深度后，地下室前后墙的被动土压力和侧墙的摩擦力限制了基础的摆动，使基础底板压力的分布趋于平缓。基础设计除满足地基承载力要求外，基础沉降复核也同样重要，因为沉降问题引起的问题很多，所以需要设计人员在前期考虑清楚，采取相应的措施协调沉降。

虽然我国目前也有了专门的高层建筑与地基基础共同作用理论的相关程序，但是大多数的设计人员还是引用以往不考虑上、下共同相互作用的影响，只考虑基础和地基共用的影响。根据一些工程的实测资料显示，只考虑基础与地基间承载力关系设计的筏板基础，钢筋最大应力实测值远小于钢筋抗拉强度，造成很大程度上的浪费。

4.结构计算与分析

4.1计算模型的选取

以板计算为例，按国外的有关规定，楼盖周边两端位移不超过平均位移2倍的情况称为刚性楼盖，超过2倍则属于柔性楼盖。计算扭转位移比时，楼盖刚度可按实际情况确定而不限于刚度无限大假定。

以常用软件PKPM为例，楼板分析的模型分为以下几种：

①刚性楼板：平面内刚度无限大，平面外刚度为0。绝大多数的结构只要楼板没有特别的消弱、不连续，均可采用这个假定。

②弹性板6：平面内、平面外都按实际刚度计算，适用于所有工程。

③弹性板3：平面内刚度无限大，平面外按实际刚度计算。适用于需要保证楼板平面内刚度非常大，如厚板转换层中的厚板，而面外刚度需要按实际考虑的情况。

④弹性膜：平面内按实际刚度计算，平面外刚度为0。适用于楼板开大洞有中庭等共享空间的特殊楼板结构或要求分析精度高的高层结构，需注意的是弹性膜只适用于梁柱结构，不能用于板—柱结构。

4.2抗震等级的确定

对常规高层建筑，与主楼连为整体的裙楼的抗震等级不应低于主楼的抗震等级；对于地下室部分，当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同，地下一层以下的抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级。

4.3周期折减系数

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第4.3.17条规定，有结构填充墙为砌体墙时的结构计算自振周期的折减系数。主要为考虑填充墙体材料刚度对结构自振周期的影响作用，故对于柔性连接的填充墙或刚度很小的轻质砌体填充墙，本条规定不适用。

4.4 偶然偏心

《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010条文说明3.4.4条有提到，在计算扭转位移比时，需采用“给定水平力”，并需考虑偶然偏心的影响。

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第3.4.5条及第4.3.3条，都有提到，计算单向地震作用时需考虑偶然偏心的影响。

关于偶然偏心的数值，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第4.3.3条有规定为 （ 为垂直于地震作用方向的建筑物总长度）。而广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ 15-92-2013第4.3.3条规定的偏心值为 （ 为第i层楼层平面平行地震作用方向的回转半径）。

5.结束语

现行规范、规程的条款，是针对一般工程的规定及要求，可是随着经济的发展，人们对房屋建筑使用功能需求不能变化，尤其是建筑艺术的不断创新和多样化，给建筑结构设计提出更大挑战和新的技术要求，因此在一些工程设计中要求设计人员应适应新形势发展的需要，根据已有经验和收集必要的有关资料，甚至于通过试验研究去创新，不能完全依据现行规范、规程的条款，应具有结构设计概念、经验、领悟、判断力和创造力，这样才能与时俱进，去适应时代的发展。

参考文献：

[1]陈志强．高层建筑结构设计中几个问题的探讨[Ⅱ]．山西建筑，2000，08．

[2]朱炳寅. 建筑结构设计问答及分析（第二版）． 中国建筑工业出版社．