试论高层建筑混凝土结构设计

【摘要】钢筋混凝土高层结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。本文介绍了高层建筑结构设计特点，探讨了结构选型、计算与分析，分享了设计方法的创新。

【关键词】高层建筑 混凝土 结构设计

中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

在城市中，如果我们建造更多的高层建筑就可以获得最大化的建筑面积，而这样我们就可以解决许多城市的用地紧张、地价高涨等等的问题，但是如果高层的建筑太多、太密集也会带来热岛效应，而玻璃幕墙过多的话还有可能会造成光污染的现象。在很多情况下，多建造一些高层建筑也会比建造多层建筑更加能够提供更多土地，如果将这些空闲的土地用作绿化或者休息场地，可以更加有利于美化我们的环境。许多高层建筑中的交通大多都是由电梯来完成的，从建筑的防火角度来看，一般高层建筑的防火要求都要高于中低层的建筑，这样也会增加建筑的运行成本等等。

二、高层建筑结构设计特点

1、侧向力

风或水平地震作用成为影响结构内力、结构变形及建筑物土建造价的主要因素。高层建筑和低层建筑一样，承受自重、活载、雪载等垂直荷载和风、地震等水平力。在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，可以忽略不计；在多层结构中，水平荷载的效应(内力和位移)逐渐增大；在高层建筑中，水平荷载和地震力将成为主要的控制因素。

2、结构应具有适宜刚度

随着高度的增加，高层建筑的侧向位移迅速增大。因此设计高层建筑时不仅要求结构有足够的强度，而且要求结构有适宜的刚度，使结构有合理的自振频率等动力特性，并使水平力作用下的层位移控制在一定范围之内。

3、结构应具有良好的延性

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。建筑结构的耐震主要取决于结构的承载力和变形能力两个因素。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免高层建筑在大震下倒塌，必须在满足必要强度的前提下，通过优良的概念设计和合理的构造措施，来提高整个结构、特别是薄弱层(部位)的变形能力，来保证结构具有足够的延性。因此，在结构设计中应综合考虑这些因素，合理设计，使结构具有足够的强度、适宜的刚度、良好的延性。

三、结构选型

对于高层结构而言，在工程设计的结构选型阶段，结构工程师应该注意以下几点：

1、结构的规则性问题

新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确

规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。

2、结构的超高问题

在抗震规范与高规中，对结构的总高度都有严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度的建筑外，增加了B级高度的建筑，因此，必须对结构的该项控制因素严格注意，一旦结构为B级高度建筑甚或超过了B级高度，其设计方法和处理措施将有较大的变化。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。

3、嵌固端的设置问题

由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。

4、短肢剪力墙的设置问题

在新规范中，对墙肢截面高厚比为5-8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。

四、结构计算与分析

1、结构整体计算的软件选择

由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异，因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。所以，在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件。对计算结果的合理性、可靠性进行判断是十分必要的，是结构工程师最主要的任务之一， 这项工作要以结构工程师的力学概念和丰富的工程经验为基础。

2、结构整体计算需控制的几个参数

（1）剪重比：控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。若过小，说明底部剪力过小，这时应注意结构位移和结构稳定是否满足要求。若过大，应检查输入信息是否有误或剪力墙过多结构太刚。

（2） 刚度比：控制结构竖向规则性，避免产生刚度突变。

（3）位移比：控制结构平面规则性，以免产生扭转。它反映的是质心与刚心的偏离程度。平面布置宜规则，对称，使质心和刚心尽量重合。

（4）周期比：控制结构扭转效应。结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑不应大于0.85。反映的是抗扭刚度与抗侧刚度之间的关系。

（5）层间受剪承载力比：控制竖向不规则。

3、是否需要地震力放大，考虑建筑隔墙等对自振周期的影响

规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数，已列为强制性条文，需特别注意。

4、多塔结构和分缝结构的计算分析

一段时间以来，大底盘，多塔楼的高层建筑类型大量涌现，而在计算分析该类型高层建筑时，是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算，是结构工程师必须注意的问题。如果分开计算，下部裙房及基础计算误差较大，且各塔之间相互影响无法考虑。应先进行整体计算，但计算周期比时应将各塔分开。

5、非结构构件的计算与设计

在高层建筑中，往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。对这部分内容，尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时，由于高层建筑的地震作用和风荷载均较大。因此，必须严格按照规范中的非结构构件的计算处理措施进行设计。

五、高层建筑结构设计方法的创新

目前，高层建筑结构的分析计算已不再使用传统的手工计算，取而代之的是采用计算程序计算。一般说来都采用三维结构分析计算程序。有些程序可考虑楼板变形进行结构分析计算，能更真实反映复杂结构的受力特点，从而可以进行钢筋混凝土结构计算。弹性动力时程分析的程序已相当成熟，一般以层模型进行动力时程分析，可输入各种类型的地震波，求得结构的位移与内力。弹塑性分析计算近几年已开始进行，已初步开发出一些可应用于工程设计的程序，包括弹塑性静力分析、层模型动力分析、杆模型 面结构动力分析等程序。从1974年开始对剪力墙结构进行了大量的试验研究，逐步形成了高层剪力墙结构体系；为适应高层住宅底部设置商业服务设施等要求，从1980年开始进行了底层大空间，上层为大开间剪力墙结构体系的研究。近年来对复杂体型的高层建筑如带有转换层、刚性层的结构错层结构、连体结构等进行了一批模型振动台试验。为了解钢一混凝土混合结构的抗震性能，进行了带有转换层、刚性层的钢筋混凝土内筒、周边为钢框架的模型试验。另外对复杂体型的高层建筑进行了风洞试验。通过试验研究与分析，提出了相应的设计建议，并做为规范条文修订的依据。

结论

随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式、材料、力学分析模型都将日趋复杂且多元化。为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。

【参考文献】

[1] 苏英，高层建筑结构设计的几个问题[J]．科技信息(学术研究)，2007(16)．

[2] 徐银夫．关于高层建筑结构设计的研究．科技经济市场，2006(02)．