混凝土高層建筑結構設計淺析

伊俊麗

（廣東寰球廣業工程有限公司，廣東 廣州 510655）

在高層設計中，建筑和結構是關系最密切的專業。建筑師往往根據建筑的使用功能和美學要求處理建筑體型，包括平面和立面；而結構師則根據受力的合理性進行結構設計，其中結構形式和結構體系的選擇，結構總體布置等對結構的受力性能優劣性起決定性作用。結構的總體布置與結構體型密切相關，簡單的體型易于得到規則和受力合理的結構總體布置，可使結構具有良好的抗震性能；反之，過于復雜的建筑平面和立面體型，將增加結構設計的困難，造成結構布置的不規則性。因此優秀的設計是建筑和結構的完美結合，需建筑師和結構師密切合作。在方案設計階段，就應根據建筑物的高度、抗震設防烈度等具體條件合理選用結構形式和結構體系。

3.3 結構中應盡可能設置多道抗震防線。結構體系中應由多個延性較好的分體，并由延性較好的結構構件連接起來協同工作，以便地震時結構能吸收和耗散大量的地震能量，避免大震倒塌。

3.4 對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力，防止在局部上加強而忽視整個結構各部位的剛度、承載力協調。考慮上部結構嵌固于基礎結構或地下室結構之上時，應使基礎結構或地下室結構保持彈性工作狀態，使塑性鉸出現在結構嵌固部位。

4 高層建筑結構設計注意問題

1 結構設計的任務

結構設計應根據建筑物的重要性等級、建筑使用功能或生產需要所確定的荷載、抗震要求、設防標準等，對結構基本構件和整體進行設計，以保證基本構件的強度、變形、裂縫滿足設計要求，同時保證結構體系的整體安全性、穩定性、變形性能，保證在突發事件發生時，結構保持一定的整體性，使人們的生命安全得以保證；保證合理用材，方便施工，同時盡可能降低建筑造價。總之，結構設計的核心是解決兩個問題：一是滿足建筑結構功能要求；二是經濟問題。

2 概念設計

概念設計是根據理論與實驗研究結果及工程經驗等形成的基本設計原則和設計思想，進行結構的總體布置，并正確確定細部構造的過程，需要遵循相應規范條文進行合理的平面設計、豎向設計、基礎設計等。

概念設計包括建筑概念設計和結構概念設計兩個方面。建筑概念設計是對滿足建筑使用功能、造型優美、技術先進的總建筑方案的確定；結構概念設計是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結構總體方案的設計。結構概念設計旨在有意識地處理構件與結構、結構與結構的關系，滿足結構的功能要求和建筑功能的需要，以及技術經濟可能的設計原則，確定最優的結構體系，選擇適用的建筑材料和合理的關鍵部位構造、結合適宜的施工及合理的效益達到房屋設計的統一。

3 高層建筑抗震概念設計若干原則

建筑抗震性能是概念設計的決定因素，概念設計應遵循一定的原則。

3.1 結構抗側力結構的布置宜規則、對稱，受力明確簡單、傳力合理不間斷，保證良好的整體性。

3.2 結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性，構件應遵循“強柱、弱梁、更強節點、強剪、弱彎、強底層柱（墻）底”的原則。

高層建筑設計從體系選擇、平面布置、豎向布置、抗震概念設計無一不體現設計師的水平，下面敘述幾個需注意的問題。

4.1 結構體系選擇

結構體系的選擇，應從建筑、結構、施工技術條件、建材、經濟等各專業綜合考慮。

結構的規則性問題。規范在這方面有相當多的限制條件，例如：平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。”因此，結構工程師在遵循規范規定上必須格外注意，避免后期施工圖設計階段工作的被動。

結構的超高問題。在抗震規范與高規中，對結構總高度都有嚴格限制，除將原來的限制高度設定為A級高度建筑外，還增加了B級高度建筑，因此，必須對結構高度嚴格控制，一旦結構為B級高度建筑或超過了B級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。

4.2 “設縫”

溫度伸縮縫、沉降縫、防震縫是高層結構設計中較重要的構造措施。對溫度伸縮縫，其影響因素很多，規范用規定結構伸縮縫的最大間距來控制，還規定了最大間距宜適當減小和適當放寬的情況，應根據實際工程的具體情況執行相關條文。如北京朝陽商業中心、廣東佛山醫院等工程地上結構長度均超過100米，由于采取了可靠措施，也未設溫度伸縮縫而效果良好。

沉降縫由于同一建筑物中各部分基礎顯著的沉降差產生，在設計中，通常用“放”、“抗”、“調”等辦法解決，即設沉降縫、采用剛度大的基礎、調整各部分基礎形式或施工順序。目前，廣州、深圳等地多采用基巖端承樁，主樓、裙房間不設縫；北京的高層建筑則一般采用施工時留后澆帶的做法。設計師應在實際中靈活掌握。

防震縫在規范中有明確規定，但應據實際情況適當放寬或縮小。

4.3 側向位移的限值

高層建筑結構的水平位移隨著高度增長而迅速變大，為防止位移過大，規范對頂點位移和層間位移都作了限制?？刂祈旤c位移u/h的主要目的是保證建筑內人體有舒適感和防止房屋在罕遇地震時倒塌。但控制房屋在罕遇地震時倒塌與否的條件是結構極限變形能力而不是u/h限值。另外，為使結構具有較好的防倒塌能力，應在結構計算中考慮相關效應?？刂茖娱g位移△u/h的主要目的是防止填充墻、裝飾物等非結構構件的開裂和損壞。

4.4 高層建筑結構設計中的扭轉問題

建筑結構的幾何形心、剛度中心、結構重心即為建筑三心，在結構設計時要求建筑三心盡可能匯于一點，即三心合一。結構的扭轉問題就是指在結構設計過程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結構發生扭轉振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用發生扭轉破壞，應在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局，盡可能使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下，高層建筑扭轉作用的大小取決于質量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結構的扭轉振動，應使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下，由于城市規劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制，高層建筑不可能全部采用簡單平面形式，當需要采用不規則L形、T形、十字形等比較復雜的平面形式時，應將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規范允許的范圍之內，同時，在結構平面布置時，應盡可能使結構處于對稱狀態。

結語

高層建筑的發展，充分顯示了科學技術的力量，使設計師從過去強調藝術效果轉向重視建筑特有功能與技術因素。建筑結構設計人員要明確自己的責任，從結構方案的確定、結構計算、構造要求等多方面考慮，提高結構設計質量。

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