高層建筑結構設計中選型優化研究

【摘 要】高層建筑結構設計中的選型與結構的優化關系到整個高層結構的安全，有很多高層結構的設計中帶有轉換層。帶有轉換層的高層建筑結構是一種非常規的復雜高層結構形式，其顯著特點是主要抗側力構件沿結構豎向分布不連續，結構豎向剛度分布不均勻。在強烈地震作用下結構易產生薄弱層，是一種不利十工程抗震的結構形式，在高烈度地區采用時要注意采取合理的結構措施以保證工程結構的抗震性能要求。本文就高層體系的選型與優化進行了論述。

【關鍵詞】高層建筑，設計 ，轉換層

Selection of high-rise building structure design optimization study

Li Nan 1，Guo Yun-fei 2

(1.Shenyang New World Architectural Design Co.， Ltd. Shenyang Liaoning 110000;

2.Beijing Architectural Design Institute Co.， Ltd. was built in Shenyang Branch Shenyang Liaoning 110000)

【Abstract】High-rise building in the selection and design optimization of the structure of the entire top structure of the security， there are many high-level design of the structure with the conversion layer. Conversion layer with a high-rise building structure is an unconventional form of the complex level structure， its distinguishing feature is the main lateral force component along the vertical structure of the distribution is not continuous， uneven distribution of the vertical stiffness of the structure. In the strong earthquake weak layer structure is easy to produce， is a negative shock of the ten project structure， when used in high intensity areas to pay attention to take reasonable measures to ensure that the structure of the seismic performance of engineering structures. In this paper， the selection and optimization of high-level system are discussed.

【Key words】High-rise building;Design;Conversion layer

1. 高層建筑結構體系選型的影響因素

高層建筑是個單體，可統計性差、影響因素多，并且多個影響因素之間往往相互制約，從信息角度講:它的不確定以及不確知的信息多，同時其綜合性也很強。高層建筑的結構方案不僅僅取決于力學分析，且應該綜合考慮到環境、經濟、安全、適用性等綜合因素，決策于分復雜。我們只能考慮其中主要因素，忽略次要因素的影響；注意各影響因素可能具有的層次性，不同因素之間存在的連續性，以及這些影響因素綜合起來對整個結構選型有具有一定的模糊性。

對于千差萬別的建筑方案除了考慮美學因素以外，影響高層建筑結構選型的主要因素可以簡要的歸納為：

（1）環境條件:主要包括建筑抗震設防烈度、建設場地類別、基本風壓以及基本雪壓等自然環境因素。

（2）建筑方案特征:主要包括方案建筑的高度和層數、高寬比、長寬比以及建筑體型。每一種結構形式都有其各自的特點以及適用性，考慮到經濟的原因也就有了各自的適用高度。我國的《抗震規范》以及《高規》均給出了每一種常見建筑結構體系的適用高度。

（3）建筑功能要求:結構是為建筑服務的，所以結構的布置必須滿足建筑功能的要求。建筑的功能基本上分為住宅、辦公樓、旅館和綜合樓，某種功能的建筑可能只有某幾種結構形式與之相配。例如高層住宅，由于其使用空間較小，分隔墻體較多，各層的平面布置基本相同，通常比較適合采用剪力墻或框架一剪力墻結構。 

（4）建筑材料:建筑材料對建筑的影響是非常大的，可以說是至關重要。每一次建筑高度的突破，都伴隨著建筑材料的革新。在多層建筑中，水平荷載處于次要地位，結構的荷載主要是豎向荷載。由于樓層少，高度低，對材料的強度要求不高，因此結構選型比較靈活，受制約條件較少。且高層建筑由于樓層多，豎向荷載大，并且在水平荷載作用下，豎向構件中會產生很大的附加軸力和水平剪力。為了滿足結構強度的要求，就不得不加大構件的斷面尺寸；且建筑功能要求結構構件所占面積盡可能小，這就要求結構材料應具有較高的強度，對于有抗震設防要求的建筑還應具有良好的延性，使得自身荷重大的結構體系的應用受到很大的限制。對于大多數的高層建筑以及超高層建筑，最優考慮的結構形式還是結構自身重量小、強度高的鋼結構、鋼一混凝土組合結構或者勁性混凝土結構。所以，結構材料應具有輕質、高強、延性好等性質，是高層建筑結構選型的基本要素之一。

2. 高層建筑結構體系優化

如上文所說，每一種結構體系都有其適用的經濟高度，對于同一棟高層建筑，往往可以有不同的結構體系可以選擇。到底選擇那一種結構體系比較經濟合理，這就牽扯到結構體系優化的問題。

在鋼筋混凝土以及鋼結構的設計中，有一些基本的原則能夠改善結構的受力性能，提高結構的抗震能力，且不需要明顯地增大建筑成本。

（1）增加抗彎結構體系的有效寬度，以調整結構的抗側剛度。這樣做，是非常直接的，也是非常有效的。增加寬度可以直接增大抵抗力臂，從而減小抗傾覆力，從材料力學的基本知識可以知道，同樣面積、不同形狀，可以獲得不同的其幾何特征。例如:相等面積的條件下，工字形截面的截面慣性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圓形截面。根據這個原理，不難理解加大寬度以后，整個結構的抗側剛度得到很大提高。在其它條件不變的前提下，側移將按寬度增加的二次方的比例減小。當然，必須考慮“剪力滯后”的不利影響，結構體系中豎向構件的水平連接應具有足夠的剛性，才能真正達到上述效果。

（2）設計結構分體系時，應使其構件以最有效的方式相互作用。例如，采用具有有效受力狀態的弦桿和斜桿的柑架體系；在鋼筋混凝土抗震墻內配置交叉鋼筋，以增強其抗剪能力；調整構件剛度，使框架的剛度比達到最優以取得良好的受力效果。

（3）增大最有效承受荷載構件的面積，充分發揮材料的自身強度，是結構工程師應該時刻考慮的問題以及應該具有的基本結構概念。例如，增大較低樓層框架柱和框架梁的截面高度或受壓翼緣面積，就能夠直接增大結構的抗側剛度，有效減小側向位移，從而改善結構的抗震性能。

（4）水平作用的傳遞主要是依靠樓板，并巨目前幾乎所有的結構分析理論所采用的基本假定都是樓板水平剛度無限大。故此，每一層樓蓋應該具有足夠的剛度和連續性，以起到水平隔板的作用，使各抵抗外力的構件能夠協同工作成為整體，且非各自獨立。

（5）設置多道設防體系。目前，世界工程抗震的主要思想基本上是一致的:“小震不壞，中震可修，大震不倒”。由于地震作用具有不確定性，防止在罕遇烈度時建筑物發生倒塌，多道抗震防線概念對于實現這一目標是有效的，從且可以保障人民生命的安全。

3. 高層建筑轉換層問題

許多轉換層結構的轉換層位置都比較高，一般做到3 ～6層，有的工程達到了7～10層甚至更高，設計的基本方法基本上同底層框支剪力墻一樣。《高規》［5］第10.2.2條明確規定:“底部大空間部分框支剪力墻高層建筑結構在地面以上的大空間層數，8度時不應超過3層，7度時不應超過5層，6度時其層數可適當增加”。 并且研究轉換層對建筑結構各方面的影響成為高層設計中的重點。

（1）轉換層設置高度對框支剪力墻結構剛度突變的影響。

針對同一結構，變化其轉換層設置的高度，進行分析比較以后發現結構設計沿用底層框支剪力墻抗震設計概念，僅僅控制上部剪力墻結構與下部框支剪力墻結構的層剪切剛度比，當轉換層比較低時，基本上可以控制轉換層附近樓層層間位移角不發生突變；然且隨著轉換層設置高度的增加，柔性的框架在整個結構中所占的比重在逐漸加大，因此結構的整體剛度會隨轉換層設置高度的增加而被削弱。僅僅控制層剪切剛度比是遠遠不夠的，還需要控制轉換層下部框支結構的等效剛度。控制的目的是為了使轉換層上下部分結構的變形特征以及剛度接近，從總體上看結構連續，以避免轉換層附近剛度突變，即使結構能夠等效于同樣高度的非轉換結構。

（2）轉換層設置高度對框支剪力墻結構內力以及傳力途徑變化的影響。

轉換層設置高度不同對傾覆力矩的分配和傳遞并未造成明顯的突變，這主要是因為在轉換層下部是以剪力墻為主的框架一剪力墻結構，落地剪力墻所承擔的地震傾覆力矩由轉換層往下傳遞較快，且支承框架的傾覆力矩遞增量較小，轉換構件處框支剪力墻的大量剪力通過樓板傳遞給落地剪力墻，所以，轉換層高度的改變不會造成樓層傾覆彎矩的分配和傳遞途徑的突變，但是傾覆彎矩曲線會發生一定的轉折。

（3）轉換層設置越高，框支剪力墻結構越容易形成底部薄弱層。

對于底層框支剪力墻結構體系來說，保證底層結構的剛度和強度，使結構在遭遇地震作用時，屈服發生在轉換層以上的剪力墻結構中，底層結構不屈服，允許少數構件開裂。擬動力試驗結果表明，此概念對于7度和8度抗震設防的底層框支結構來講是合理的。

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參考文獻

［1］ 葉獻國.建筑結構選型概論.武漢:武漢理工大學出版社，2003.

［2］ 陳章洪.建筑結構選型乎冊.北京:中國建筑工業出版社，2000.

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［文章編號］1619-2737（2011）11-05-492

［作者簡介］ 李楠（1982.10.7-），女，職稱，助理工程師，工作單位：沈陽新大陸建筑設計有限公司。 

國云飛（1977.10.22-），男，職稱：助理工程師，工作單位：北京中建建筑設計院有限公司沈陽分公司。