对高层建筑结构设计的问题探讨

摘 要:文章就一工程实例进行解析和阐述，通过高层建筑设计的要点，达到最优的结构设计理念。

关键词: 高层建筑；结构方案；合理性

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

前 沿： 近数年来, 我国各地高层建筑发展迅速, 不仅数量上与日俱增, 而且楼房的层数也日见增多。下面笔者将从高层结构设计特点开始, 对如何确定高层建筑结构类型、结构体系, 及结合自身做过的工程实例对结构方案是否合理对高层建筑结构设计成败的重要意义展开论述。

1、高层建筑结构分析与设计特点

1.1水平载荷成为决定因素。

任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载及风荷载这样的水平荷载, 还要承受地震作用。在较低楼房中, 往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计, 水平荷载产生的内力和位移很小, 对结构的影响也就较小; 但在较高楼房中, 尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响, 水平荷载却起着决定性的作用。随着楼房层数的增多, 水平荷载愈益成为结构设计中的控制因素。

1.2轴向变形不容忽视。

通常在低层建筑结构分析中,只考虑弯矩项, 因为轴力项影响很小, 而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构, 情况就不同了。由于层数多, 高度大, 轴力值很大, 再加上沿高度积累的轴向变形显着, 轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显着的改变。对连续粱弯矩的影响: 采用框架体系和框一墙体系的高楼中, 框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力, 中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。

1.3 侧移成为控制指标 。

与低层建筑不同, 结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素, 随着楼层高度的增加, 水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。设计高层结构时,不仅要求结构具有足够的强度, 还要求具有足够的抗侧刚度,使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内, 保证良好的居住和工作条件。

1.4结构延性是重要设计指标。

相对低层结构而言, 高层结构更柔一些, 在地震作用下的变形更大一些。为了使建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力, 避免倒塌, 特别需要在构造上采以恰当的措施, 来保证结构具有足够的延性。

2、高层建筑结构设计实例

工程概况:

为某出口加工区之宿舍楼, 结构设计九层钢筋混凝土框架结构高层建筑, 场地土类别二类, 七度抗震设防, 特征周期 0.35S,设计基本地震加速度为0.15g, 设计地震分组第一组, 建筑总长度为 85.96m, 由居中的变形缝分为两个结构单元, 每个结构单元长 42.7m, 基础采用钢筋混凝土人工挖孔桩, 桩基持力层为中风化花岗岩。

这个工程虽只有九层, 高度却达 33.500m, 一层为食堂, 二至六层为集体宿舍, 七至九层为高级员工宿舍; 本工程具有柱网大( 纵向柱网为 85m,横向柱网为88m、69m) , 分户墙及室内墙体多, 再加上南北两方向出挑比较大, 造成中柱及边柱荷载比较大。其中,中柱电算出来组合内力分别为12500kN 至14550kN, 边柱的组合内力也大致在12590kN 左右。底层柱采用 C40 混凝土,中柱截面尺寸经初算大都达到1000×950; 边柱截面尺寸也都达到950×950。在最初的试算中, 一直出现结构第一周期为扭转周期。本工程结构的高宽比为2, 为A 级高度钢筋混凝土高层建筑, 按《高层建筑混凝土结构技术规程》规定: 结构扭转为主的第一自振周期Tt 与平动为主的第一自振周期T1 之比, A 级高度高层建筑不应大于0.9 。在最初的试算中, Tt /T1 周期比一直大于0.9, 后经多轮调整试算, 采取如下措施:

(1)将角柱加大;

(2)将与角柱相连的边框梁改为宽梁, 截面尺寸调为450×900;

(3) 将中柱、边柱截面尺寸适当减小。

底层角柱最后截面尺寸调整到800×850, 结构第一周期调整为平动周期, Tt/T1 周期比调整为0.875( 满足规范要求) ,

底层中柱截面尺寸大都调整为950 ×950, 底层中柱截面尺寸最大为1000×1000, 底层边柱截面大都调整为950×900。经济技术指标( 上部结构的每平米含钢量) 为: 59.8kg/ m2。结构电算模型均满足规范要求, 整个结构设计工作也顺利完成了。但是, 框架柱的截面尺寸太大了, 对下面几层平面使用功能上造成一些影响, 特别是一些卫生间及房间因框架柱尺寸太大, 实际使用面积受到较大影响。就这个工程而言, 在适当位置( 如电梯井道、楼梯间等交通核心筒及建筑物外框梁处、建筑内部纵横框架的一些位置( 如分户墙) ) 处加设剪力墙, 底层角柱截面尺寸可调整为500×500, 底层中柱与边柱截面尺寸可调整为600×600; 对照电算计算书, 配筋比原框架结构配筋小, 经济指标上也会比较好。可较好地满足建筑平面功能要求, 增大建筑物的有效使用面积。但因各种原因, 本工程还是按原来的结构选型, ( RC) 框架结构出图施工了, 其实合理的结构选型应选用( RC) 框架- 剪力墙结构。

目前建筑物的结构设计, 严格地说只是一种校核。设计人员根据经验、结构规范或业主的任务书确定了结构体系结构类型之后, 按规范对该型结构的结构构件( 梁、柱、剪力墙) 截面尺寸及布置位置的规定, 并结合实际建筑平面、功能, 初定了构件( 梁、柱、剪力墙) 布置位置后, 往往先假定梁柱或剪力墙的截面尺寸, 然后进行复核计算。如果被假定的构件截面过大或太小, 或构件( 主要指剪力墙) 布置数量、位置不合适, 则需要重新调整后再进行核算, 直至取得合理的构件布置( 数量、位置) 及截面尺寸。这一过程往往要经过大量的调整试算, 从而体现了结构布置合理的重要性。最适合的结构布置位置常因建筑平面、功能限制而无法采用, 以致结构设计基本无从法着手, 后通过合理的结构布置减少了大量工作, 这种情况在侨乡某酒店的设计过程中表现得尤其明显。该工程慨况: 地上十六层, 地下两层。地上一到六层分别为酒店的大堂、会议室、餐厅、夜总会等需大空间的场所, 地下两层为地下车库及设备用房, 七层至十六前后退台形成酒店客房标准层, 建筑高度达到65.7m( 算至屋顶结构板处) 。抗震设防烈度为七度, 设计基本地震加速度为0.15g, 抗震设计分组属第一组, 设计特征周期值为0.30S。结构采用(RC) 框架- 剪力墙结构。

框剪结构剪力墙布置原则为: 1、剪力墙宜沿结构平面主要轴线方向布置。 2、剪力墙配置数量要适当, 沿每一主轴方向, 抗震墙所承担的倾覆力矩应不少整个结构体系总倾覆力矩的50%。 3、所有剪力墙均应上下对齐, 没有错位, 并从底到顶连续设置, 不得中断。4、每个方向剪力墙的布置应尽量做到: 分散、均匀、周边、对称四原则。还有许多剪力墙布置的原则因篇幅有限不再一一罗列。

该工程在实际布置剪力墙时很困难。因建筑平面一至六层布局都不同, 地下有大空间要求的地下车库及联结上下层的汽车坡道, 既满足上下层剪力墙对齐而又不影响建筑功能的剪力墙布置位置极少。经多轮试算, 最终找到剪力墙合理布置方法, 最终结构设计顺利完成, 一至六层及标准层结构布置详见图二、图三。该工程剪力墙布置采用如下原则进行处理:

（1）将剪力墙布置在电梯间、楼梯间等较大洞口之周

围, 特别是纵向的三道剪力墙均布置在交通核处;

（2）将能上下贯通布置剪力墙而又不影响建筑平面功能的

仅有的几个位置墙肢作得长一点( 但每一墙肢的宽度均小于8m) ;

（3） 将横向剪力墙尽可能布置在外墙处, 并尽量将横向剪力墙布置均匀、对称、分散, 如横向剪力墙布于一、六轴交C～D 轴处, 剪力墙尽量靠近D 轴以缓解C～E 轴部份建筑中间无法布置剪力墙的困局;

（4）电梯井道处纵横向剪力墙连接成口字形以获得较大的纵、横向抗推刚度和受弯承载力;

（5）同一横向轴线上的两片剪力墙利用各层的框架梁组成双肢墙以获得较大的横向抗推刚度和受弯承载力;

（6）横向剪力墙布置在平面上对称布置, 使结构的抗推刚度中心尽量与质量中心相靠近, 以减少地震时结构的扭转振动;

（7）任一剪力墙在底层所承受的弯矩和剪力均不应超过整个结构同方向底层总倾覆力矩和剪力的40% 。

4、结束语：

面对日新月异的技术进步, 面对越来越高的高楼, 面对越来越复杂的结构体系及建筑平面功能, 结构工程师在结构选型、结构布置方面( 结构方案的合理性方面) 面临着越来越多的挑战。我们只有本着经济、合理、技术先进的原则, 在满足建筑使用功能及结构安全前题下, 结构方案合理性的判定主要依赖于经济指标之比较, 具体应综合考虑投资、工期、施工经验、空间效果、使用面积和结构性能等综合效益指标来作出判断。