高層建筑結構設計的問題與對策研究

摘要：本文結合高層建筑結構的特點，就高層建筑結構設計中剪力墻、減震結構、結構扭轉的限值三個方面所出現的問題進行了分析，并提出了相應的解決對策。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；短肢剪力墻；對策

1、前言

作為城市的地標，高層建筑不僅可以為城市創造出美麗的天際線，而且可以帶來城市商業交流、經濟發展的價值。目前，高層建筑已成為衡量一個國家建筑科學技術水平的重要標志，更是檢驗一個國家建筑結構技術成熟程度的標尺。但隨著高度的增加，高層建筑的技術問題、建筑藝術問題、投資經濟問題以及社會效益問題、環境問題等日益變得復雜、嚴峻，因此需要深入的研究結構設計問題，增強對實踐的導向作用。

2、高層建筑結構的特點

高層建筑結構可以設想成為支承在地面上的豎向懸臂構件，承受著豎向荷載和水平荷載的作用。與多層建筑結構相比，高層建筑結構具有其獨特的方面。

2.1高層建筑受力和位移特點

（1）高層建筑中水平荷載產生的影響遠大于垂直荷載產生的影響，因此，高層建筑結構必須是一個既能抗彎曲又能抗剪切，還能使其地基和基礎承受上部傳來各種作用力的結構系統。

建筑物抗彎曲要求必須達到三個條件：不會使建筑物發生傾斜；支承體系（柱或墻）的某些部位不致被壓碎、壓屈或拉斷；其彎曲側移（和剪切側移的總和）不應超過彈性可恢復極限。

建筑物抗剪切要求必須達到兩個條件：不會使建筑物被剪斷；其剪切側移（和彎曲側移的總和）不應超過彈性可恢復極限。

對地基和基礎來說，該建筑結構系統的各支承點之間不應發生過大的不均勻變形，而且其地基和地下結構應能承受側向荷載引起的水平剪力，并不致引起水平滑移。

（2）高層建筑中，水平荷載和地震作用對結構設計起著決定性的作用。豎向荷載在結構的豎向構件中主要產生軸向壓力，其數值僅與結構高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎向構件中所引起的位移，其數值與結構高度的二次方和四次方成正比。因此，設計高層建筑時，不僅要求結構具有足夠的強度，還應具備足夠的抗側剛度，使結構在水平荷載下產生的側移被控制在規定的范圍內。

2.2建筑高度與材料用量、工程造價的關系

隨著建筑高度的增加，材料用量、工程造價將呈拋物線關系增長，見圖1。

圖1 荷載、材料與建筑高度的關系

3、高層建筑結構設計問題分析及對策

3.1剪力墻設計存在的問題及對策

復雜截面剪力墻配筋設計一直是結構設計中的一個難題。其原因：（1）混凝土本構關系。各國規范一般采用等效矩形方法計算截面承載力，等效矩形方法根據矩形截面制定的相關規定，不便于直接應用于復雜截面剪力墻正截面承載力計算。（2）截面內力?，F行軟件一般不支持復雜截面剪力墻整截面內力求取。基于上述兩個原因，復雜截面剪力墻配筋設計一直未能得到很好的解決。實際工程中，常采用分段設計方法，將整截面的剪力墻分成幾個矩形截面來設計，其安全性、合理性有待研究。

針對上述兩個問題，解決方案可以從以下幾個方面入手：（1）從混凝土單軸受壓本構關系出發，采用一個便于計算承載力的簡化單軸受壓應力一應變曲線方程。（2）從截面所受到的彈性應力分布出發，直接積分求出復雜截面剪力墻整截面內力，或從復雜截面剪力墻各矩形截面內力出發，疊加求解整截面內力。（3）采用截面應變平截面假定給出對應配筋的設計承載力骨架曲線，求出整截面承載力所需的配筋[2]。

基本思路為：從有限元線彈性模型計算結果的截面應力分布出發，積分求解整截面內力，或直接從復雜截面剪力墻各矩形截面內力出發，疊加求出整截面內力；采用截面應變線性分布的平截面假定，采用簡化混凝土和鋼筋的本構關系，反求此時的受壓區混凝土的應力分布和截面中鋼筋的應力。鋼筋對截面承載力的貢獻可直接求得，混凝土對截面承載力的貢獻可采用積分方法求出，求解截面內混凝土和鋼筋承載力，即可得到截面承載力。通過截面設計承載力對截面設計內力的包絡，得到所需縱筋面積。

3.2耗能減震結構設計

耗能部件應滿足下列要求：

（1）耗能器應具有足夠的吸收和耗散地震能量的能力和適當的阻尼；耗能部件附加給結構的有效阻尼比宜大于15%，超過25%時宜按25%計算。

（2）耗能部件應具有足夠的初始剛度，并滿足下列要求：

速度線性相關型耗能器與斜撐、填充墻或梁組成耗能部件時，該部件在耗能器耗能方向的剛度應符合下式要求：

式中： 為：支承構件在耗能器耗能方向的剛度； 為：耗能器的線性阻尼系數； 為：耗能減震結構的基本自振周期。

耗能器的極限位移應不小于罕遇地震下耗能器最大位移的1.2倍；對于速度相關型耗能器，耗能器的極限速度應不小于地震作用下耗能器最大速度的1.2倍，且應滿足當時的承載力要求。

（3）耗能器應具有優良的耐久性能，能長期保持其初始性能；

（4）耗能器構造應簡單，施工方便，易維護性好；

（5）耗能器與斜支撐、填充墻、梁或節點的連接，應符合鋼構件連接或鋼與鋼筋混凝土構件連接的構造要求，并能承擔耗能器施加給連接節點的最大作用力。

3.3結構扭轉的限值

在SATWE計算結果輸出中，結構位移輸出文件中：Ratio-（X），Ratio-（Y）項為最大位移與層平均位移的比值。周期、地震力與振型輸出文件中，扭轉系數最大的為 ，扭轉系數最小的為 。限制 ，是為了使結構有必要的抗扭剛度，防止由于振動耦聯的影響增大結構的扭轉效應。

如果不滿足規定的第一個比值要求，說明結構平面不規則，調整時應觀察SATWE圖形文件輸出中的結構整體空間振動簡圖，其中以平動（ ）為主的震動簡圖中，會發現結構在乎動同時圍繞著某個圓心在旋轉，靠近圓心處結構剛度較大，遠離圓心處（圓周處）結構剛度較小，通過減小圓心處剛度或增大圓周處剛度的辦法調整結構平面剛度不均勻。一般情況下調整剪力墻效果最好，比如減小或增大開洞、移動洞13位置以增大墻肢高度，增加或減小墻厚等。同時應有意識的加強剛度變化處結構的連接。最終目的是讓結構兩個方向的平動振動盡量有較少的扭轉成分；如果不滿足規定的第二個比值要求，說明結構抗扭剛度較弱，應均勻增加結構的整體剛度，尤其是外圍結構的剛度（力臂比較長）[3]。

4、結語

總的來說，高層建筑是科學發展和經濟發展的必然產物和重要標志。高層建筑越多，高度越高，所需要解決的城市規劃、建筑結構設計、基礎工程、建筑材料、運輸、消防、空調、電氣、施工技術及城市公用設施所需及與之相配合的問題就愈加復雜，沒有輕質高強的材料、沒有強大可靠的設計分析理論是不可能建起高層建筑的。只有加強結構設計問題的研究，并不斷利用新技術解決實踐中出現的問題，才能確保高層建筑的社會和投資收益。

參考文獻

[1]徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2010

[2]孫凱.高層建筑結構設計的問題及對策探討[J].價值工程，2010（6）

[3]黃琛雄.高層建筑結構設計中常見的幾個問題及對策[J].中華建設，2011（9）：12