結合高規淺談高層建筑結構設計

摘要：文章結合高規對高層建筑結構的特點、常見結構體系和基礎進行闡述分析。

關鍵詞：結構體系；高層建筑；框架；剪力墻

隨著我國經濟的不斷發展，高層建筑在大中城市大量出現，在小城市也不斷涌現，建筑的形體各異，給結構設計帶來了挑戰。針對建筑形體的多樣性，這要求結構設計人員要不斷提高設計水平，下面我就根據高規（除注明外，本文所稱“規范”均指高規JGJ3—2010）結合自己的實際工作經驗談談高層結構設計。

區別于低層和多層建筑，高層房屋設計主要有以下幾個特點：

1.高層或多層建筑都承受豎向荷載（樓屋面活荷載、結構自重、墻體重量等）和水平荷載的作用（風荷載作用和地震作用），一般認為，豎向荷載往往是影響低層和多層房屋結構設計的主要因素。而在高層建筑中，除風壓低和烈度低的地方外，起決定性作用的往往是水平荷載。高層建筑相對多層建筑對風荷載比較敏感，故規范4.2.2規定房屋高度大于60m的建筑承載力設計時應按基本風壓的1.1倍采用。

2.結構側移是高層結構設計中的需控制的一個重要方面，對應的指標是層間位移角。由規范5.4.1條文說明的彈性等效側向剛度公式EJd=11qH4/120u可知，房屋的頂點側移與建筑物高度的四次方成正比，水平荷載作用引起的位移如果過大輕則會讓人感到不舒適、電梯偏位、填充墻開裂等現象，嚴重時會導致房屋主要承重構件開裂，房屋上下重心偏移，房屋承重構件產生附加應力，致使整個房屋結構破壞，所以在高層建筑結構設計中我們應注意位移量的控制，保證結構的側向剛度以控制結構的位移。具體的工程設計中若層間位移角較大，則表示此時結構的側向剛度較小，應增加豎向構件的剛度；若層間位移角遠小于規范限值，則表示其結構剛度很大，有削弱的空間。

3.結構扭轉是高層結構設計中的需控制的又一重要方面，對應的指標是位移比、周期比。由規范3.4.5條文說明可知位移比是限制結構平面布置的不規則性，避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應。因此位移比的調整要改變結構的平面布置，以使結構剛心與質心盡量接近，找出位移大的節點加強或削弱相應的構件。周期比是限制結構的抗扭剛度不能太弱，從而用來限制振動耦聯，因為振動耦聯會使結構的扭轉效應明顯增大。多層建筑結構周期較短，一般對周期比不作要求。結構試算時周期比不滿足的情況下一般的調整原則是加大周邊豎向構件剛度，削弱中間豎向構件剛度。這兩個指標的調整原則雖然只有幾句話，但據筆者的經驗這兩指標有時比較難調到理想的結果，特別是形體復雜的工程。

4.結構整體穩定性是高層建筑結構設計的基本要求，高層建筑結構要控制房屋的整體穩定性，剪力墻結構、框架-剪力墻、筒體結構應符合如下要求：

框架結構應符合下式要求：

房屋一旦出現失穩破壞，就會危及房屋的安全，通過以上兩個公式可知采用輕質材料，減輕房屋的重量對建筑結構的穩定性來說是一個有效措施。

高層房屋的結構一般分為框架，剪力墻，框架-剪力墻和筒體等，規范對各個結構體系分章節來說明其設計原則和構造，下面對框架、剪力墻和框架-剪力墻結構談一下自己的看法。

1.框架結構是一種非常常見的結構體系，為雙向梁柱抗側力體系，一般不采用單跨框架。由梁柱體系承受豎向及水平荷載。框架結構可以現澆，也可以做成裝配整體式，但當結構抗震烈度為9度時，不能采用裝配整體式結構（裝配整體式難以實現強節點，弱構件的設計目標，地震作用下節點處容易破壞），目前國內使用較多的是現澆框架。框架結構的特點是柱網間距受限小，建筑平面布置靈活，建筑功能區域好分割。

框架結構由于側向剛度較小，高層框架結構變形較大，為了控制房屋的變形，增大構件的截面及配筋量才能滿足規范對側向位移的要求，所以框架結構的適用高度最低。接近規范高度限值的房屋會導致梁柱截面過大，不適宜設計成框架體系，否則，既影響使用功能，又造成浪費，故高層中純框架結構較少見，即便是小高層也常會加少量剪力墻以增加其側向剛度。

2.剪力墻結構是由墻體組成的承受豎向及水平荷載的結構。剪力墻結構的特點是整體性好，側向剛度大，在水平力作用下側向位移小，容易滿足承載力及側移限值的要求。所以剪力墻結構體系的適用高度范圍較大。由于剪力墻墻厚一般較薄，平面內剛度較大，但平面外剛度很小，故剪力墻應雙向布置，兩個方向的側向剛度不宜相差過大?？拐鹪O計時，不應采用僅單向有墻的結構布置。

剪力墻結構與框架結構相比其延性相對較差，抗震設計時為實現延性剪力墻一般的原則是：強墻弱梁、強剪弱彎。強墻弱梁是從體系的破壞機制方面考慮的，它要求連梁屈服先于墻肢屈服，使塑性變形和耗能分散于連梁中，避免因墻肢過早屈服使塑性變形集中在某一層而形成軟弱層或薄弱層。強剪弱彎是構件延性的要求，包括剪力墻和梁。剪力墻除要滿足計算要求處，還要滿足構造要求，限制其軸壓比、設置邊緣構件和底部加強區。連梁作為第一道防線其作用不言而喻，規范7.2.21～7.2.25、7.2.27、7.2.28是對其計算和構造的規定。但在很多情況下設計計算會出現“超限”情況，因此規范7.2.26給出了一些處理方法，當然方法不只這些，如抗震規范GB 50011-2010中6.4.7提到的雙連梁、多連梁等。

3.框架-剪力墻結構，顧名思義，是框架與剪力墻共同形成的結構體系。在這一結構體系中，框架結構可以保證寬敞自由的平面空間布置，剪力墻可以保證結構的側向穩定性。規范8.1.2列舉了框架-剪力墻結構的組成形式，由于框架與剪力墻的變形曲線一個是剪切形一個是彎曲形，兩者組成框架-剪力墻結構其各自在結構中占的比例不同則有不同的受力形態，規范8.21.3按在規定的水平力作用下結構底層框架部分承受的地震傾覆力矩占總地震傾覆力矩的比例確定了相應的設計方法，若采用框架-剪力墻結構時設計人員在方案階段就需對框架占的比例有個大致了解，做到心中有數。

最后談一下高層建筑的地下室和基礎。為了抗傾覆和滑移，確保建筑物的安全，規范12.1.8對高層建筑規定了基礎埋深要求：采用天然地基或者復合地基時不小于房屋高度的1/15，采用樁基時不小于房屋高度的1/18（樁長不計入埋深）。由于高層建筑高度較高，基礎的埋深也相應較深，也為了提高地基承載力，減少地震作用對上部結構的影響，高層建筑一般設地下室，當然設地下室也往往是建筑功能的要求。地下室的設計應該注意幾點：①當地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，應該滿足規范對嵌固的相關要求。②地下室應滿足整體抗浮要求，對于無外擴的地下室容易滿足（施工過程需考慮抗浮，采取抗浮措施），但對于帶裙房或者帶有大地下室（部分無上部結構）的房屋，抗浮設計水位又較高者，此類地下室須要驗算抗浮。主樓范圍地下室基礎可以采用承壓樁，純地下室基礎可以采用抗拔樁以抵抗水浮力，主體地下室應增大基礎剛度，相應的純地下室或者裙房部分的地下室減小基礎的剛度以平衡協調變形，在主樓范圍的地下室部分底板，頂板以及墻板可以采用施工后澆帶的方式來降低不均勻沉降。③高層建筑的地下室外周回填土應采用級配良好的砂石，砂土或土回填，并且分層夯實。高層建筑用天然地基上的筏形基礎比較經濟，當地質條件好且能滿足地基承載力和變形要求時，也可采用交叉梁式基礎或其他形式基礎；當地基承載力或變形不滿足設計要求時，可采用樁基或復合地基，其中樁基和帶樁基的筏形基礎較常見。

隨著接觸工程的不斷增多，設計人員必然碰到各種各樣的難題，規范在總則1.0.4就說高層建筑結構應注重概念設計，這要求我們對整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害等有充分的認識。只有不斷提高自己的水平，才能對結構不斷優化，做到安全適用，經濟合理，對自己負責，對業主負責。

參考文獻：

[1] JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程.

[2] GB 50011-2010建筑抗震設計規范.

[3]楊琦.高層建筑結構特點及其體系[J].沿海企業與科技，2007.