对研究高层建筑结构设计的探讨

摘要：随着高层建筑在我国的迅速发展，建筑高度的不断增加，建筑类型与功能愈来愈复杂，同时人民生活水平的不断提高，功能齐全的高层建筑越来越多，高层建筑的结构的稳定、美观越来越受到人们的关注，同时也给了建筑结构设计师更高的要求。

关键词：高层建筑；结构设计；研究

Abstract: With the development of high-rise buildings in China's rapid development, increasing the height of the building, building types and functions are becoming more and more complicated, and the improvement of people's living standard, more and more high-rise buildings with complete function, stable, beautiful and tall building structure more attention, but also to the building structure designers higher requirements.

Key words: high-rise building；structure design；research

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

前言

高层建筑结构设计通常要遵循一定的原则，它不仅要考虑到建筑自身的结构设计、外在美观设计、建筑施工的要求，而且要从建筑设备安装、结构选材方面进行考虑。最后还需考虑各种结构设计实现的综合经济指标。因此，分析现代高层建筑发展给结构设计带来的新困难与新要求，要求我们重新认识结构设计问题的本质与规律，进一步明确结构设计的必要性与复杂性特征，体现现代高层建筑建设实践的要求。

一、高层建筑设计基本要求

1．结构的规则性。

(1)不应采用严重不规则的结构体系。建筑设计应符合抗震概念设计的要求，高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，应符合下列要求：

1)应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；

2)应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力；

3)对可能出现的薄弱部位，应采取有效的加强措施。

(2)高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求：

1)结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位；

2)宜具有多道抗震防线；

3）结构在两个方向的动力特性宜相近。

2．规则结构的主要特征：建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，刚度和承载力分布均匀，具有较好的抗扭刚度和整体性。

3．规则结构布置需满足的要求：结构布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称，减少扭转的影响。在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，仅在风荷载作用下则可适当放宽。抗震设计的B级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑，其布置更应简单、规则，减少偏心。

二、高层建筑工程设计

1．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）合理选择结构体系。高层建筑结构布置应力求简单、规则、对称，避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位；避免在凹角和端部设置楼电梯间；避免楼电梯间位置偏置，以免产生扭转的影响。

（2）房屋的适用高度和高宽比满足规范要求。规范中对结构的总高度有严格的限制，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。

（3）嵌固端的设置问题。由于高层建筑一般都带有两层或两层以上的地下室和人防，嵌固端可设置在地下室顶板，也可设置在人防顶板等位置。抗震设计的高层建筑，当地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，地下一层的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。地下室中超出上部主楼范围且无地上结构的部分，其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。

（4）短肢剪力墙的设置问题。短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙。对于短肢剪力墙结构，虽然有利于住宅建筑布置，也可减轻结构自重，但在高层住宅中，剪力墙墙肢不宜太短，因为短肢剪力墙的抗震性能较差，地震区应用经验不多，为安全起见，高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。

2．地基与基础设计：地基与基础设计一直是结构工程师比较重视的方面，不仅仅由于该阶段设计过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行，同时，也是因为地基基础是整个工程造价的决定性因素，因此，在这一阶段，所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。高层建筑的基础应选用整体性好，满足地基承载力和建筑物容许变形的要求，并能调节不均匀沉降的基础形式。高层建筑宜设置地下室以减小地基的附加应力和沉降量，有利于满足天然地基的承载力和上部结构的整体稳定性。此外，在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性。

3．结构分析与计算：在结构计算与分析阶段，如何准确、高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理，是决定工程设计质量好坏的关键。《高层建筑混凝土结构技术规程》对结构整体计算和分析进行了详细的阐述。因此，对这一阶段比较常见的问题应该有一个清晰的认识。

1)结构整体计算的软件选择。目前比较通用的计算软件有：SATWE、TAT、SAP、TBSA等，但是，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，并从不同软件计算结果中，判断哪个是合理的，哪个是可以作为参考的，哪个又是意义不大的，这将是结构工程师在设计工作中首要的工作。

2)是否需要地震力放大。考虑建筑隔墙等对自振周期的影响，现行规范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。

3)振型数目是否足够。在计算分析阶段必须对计算结果中的振型参与系数进行判断，并决定是否要调整振型数目的取值，以满足设计规范的要求。

4)多塔之间各地震周期的互相干扰，是否需要分开计算。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。

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非结构构件的计算处理措施进行设计。

4．抗震分析与设计在高层建筑的应用：我国现行规范要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下，按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法计算内力及位移。一般情况下按建筑结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用计算；有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。

三、高层建筑结构设计的特点

3.1 水平荷载成为决定因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

3.2 轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中问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；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

3.3 侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

3.4 结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高层建筑结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。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，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

四、高层建筑通用结构设计体系

4.1 框架一剪力墙体系。当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架一剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。

4.2 剪力墙体系。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架一剪力墙体系。

4.3 简体体系。凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，包括单简体、简体一框架、筒中筒、多束筒等多种型式。简体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。

五、建筑结构的控制设计

理论和试验研究均表明，并经震害实践证明，如果要求建筑结构在遭受地震作用时不破坏或不倒塌，至少应具备下列两个条件之一： 结构的主要部位有足够的强度储备，结构的主要部位对地震作用下的强追变形有充分的适应能力，如单纯满足前者，往往需要耗用过多的材料，且若遭受强烈地震作用，结构仍可能破坏或倒塌，从而提出抗震结构按两阶段设计，即在弹必阶段按强度控制，在弹塑性阶段按变形控制，这样设计的结构，既有一定的强度，又具有较大的延性和耗能能力，能一定程度地适应强烈地震使结构产生的强迫变形。

5.1 机构控制

在分析框架和抗震墙结构的倒塌模式的基础上，提出对破坏机构进行控制，使之发生期望的破坏机构形式，达到既具有足够强度又具有足够延性的目的，实现途径是在结构的特定位置一定数量的人工塑性铰，对塑性程度及区域进行控制，使得结构在强震时能形成最佳耗能机构，对于一个实际的多层，高层建筑结构，如何实现机构控制，即人工铰的构造，布置和出现顺序的确定，是一个尚待深入研究的课题，且是此方案能否真正实现的关键。

5.2 梁的延性设计：

在梁的端部位置特殊腹筋，可以增强梁端的抗震性能，特别是对于剪跨比小的梁，延性和耗能均有大幅度的提高，用作抗震墙墙肢间的普通连粱和刚性连粱的延性和耗能特赶对整个抗震墙结构的工作影响极大。

5.3 柱的延性设计：

虽然不希望塑性铰发生在柱上，但是它们仍需要具有一定的延性和耗能能力，才能保证大震时不倒。试验表明，采用螺旋箍筋能较大程度地提高柱的延性和后期抗轴压能力，螺旋箍筋分为矩形箍和圆形箍，单旋箍和复台箍，其中复合螺旋箍效果最好，圆形箍比矩形箍要好。

六、高层建筑结构设计要注意的几个问题

6.1 结构选型。

（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。

6.2 地基与基础设计

在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。由于我国占地面积较广，地质条件相当复杂，作为国家标准，仅仅一本《地基基础设计规范》无法对全国各地的地基基础都进行详细的描述和规定，因此，作为建立在国家标准之下的地方标准。地方性的“地基基础设计规范”能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确，所以，在进行地基基础设计时，一定要对地方规范进行深入地学习，以避免对整个结构设计或后期设计工作造成较大的影响。

6.3 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，必须严格按照新规范中增加的非结构构件的计算处理措施进行设计。

七、结束语

加快新型优质建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济。在结构设计实践中我们的概念上要打破建筑结构设计中的墨守成规，充分发挥结构工程师的创新能力，设计创造出更多的优质美观的建筑。

参考文献

[1] 吕西林主编,高层建筑结构(第二版)[M] 武汉：武汉理工大学出版社，2003.

[2] 王景慧,高层建筑设计与施工[J] 城市规划汇刊1994(4).

[3] 黄东升．建筑结构设计[M]．南京：东南大学出版杜．

[4] GB50068―2001，建筑结构设计统一标准[s]