試論高層民用建筑結構設計的問題與措施

陳杜

摘要：隨著房地產行業逐漸步入成熟期，建筑用地的占用比例也越來越大，但資源的有限必然要求在小范圍內建造出大面積，所以高層建筑是城市化進程中的必然選擇。目前高層民用建筑層出不窮，但其結構設計中還存在諸多的問題，本文就此進行了探討，就高層住宅結構設計中存在的問題，提出一些看法及處理措施，希望能對我們以后的工作產生幫助，使設計水準更上一層樓。

關鍵詞：高層住宅；結構體系；控制參數

中圖分類號： TU355 文獻標識碼： A

引言

如何設計出舒適、安全同時又符合人們精神生活要求且經濟實用民用建筑以適應建筑市場的變化，滿足消費者們的需求，成為設計師們要面對解決的首要問題。結合多年的設計實踐經驗對高層民用建筑結構設計中常出現的問題進行總結。

1 高層建筑結構體系介紹

目前高層建筑基本上都是采用鋼筋混凝土結構，其結構體系有框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構等，其中在高層住宅建筑中剪力墻結構和框架剪力墻結構使用較多。

1.1 剪力墻結構

剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，作為豎向承重和抵抗側力的結構，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構稱為剪力墻結構。該結構通常采用平面布置形式，由于剪力墻受豎向荷載和水平荷載共同作用，剪力墻應雙向或多向布置。由于該結構全部由剪力墻組成，其剛度比框架剪力墻結構更好，常用于40 層以下的高層住宅建筑等。該結構高寬比不宜大于6，其高度應考慮抗震要求。

1.2 框架剪力墻結構

框架剪力墻結構是由框架和剪力墻組合而成的結構體系。其中剪力墻承受絕大部分水平荷載，框架承受豎向荷載，兩者共同受力，合理分工。剪力墻應均勻布置在建筑物的周邊、電梯間、平面形狀變化較大和豎向荷載較大等部位。由于該結構以框架結構為主，剪力墻為輔助，因此，該結構體系適用于25 層以下的建筑，最高不宜大于30 層。

2 高層結構設計的控制參數與應用

高層結構設計中各控制參數的選取直接影響結構的安全性、合理性等。因此。合理的選取各控制參數，有助于提高結構整體控制的效率，也有助于使結構設計更加安全、經濟合理。

2.1 軸壓比：限制結構的軸壓比，以保證結構的延性要求。當不滿足規范要求時可以通過增大該墻、柱截面或提高該樓層墻、柱混凝土強度的辦法調整。

2.2 剪重比：限制各樓層的最小水平地震剪力，確保周期較長的結構的安全。當偏小且與規范限值相差較大時，可通過增強豎向構件，加強墻、柱等豎向構件的剛度的辦法調整。

2.3 剛重比：規范上限主要用于確定重力荷載在水平作用位移效應引起的二階效應是否可以忽略不計。當不滿足規范下限要求時，可以通過調整增強豎向構件，加強墻、柱等豎向構件的剛度的辦法調整。

2.4 層間位移角：限制結構在正常使用條件下的水平位移，確保高層結構應具備的剛度，避免產生過大的位移而影響結構的承載力、穩定性和使用要求。當不滿足規范要求時，只能通過調整增強豎向構件，加強墻、柱等豎向構件的剛度的辦法調整。

2.5 層間位移比：限制結構平面布置的不規則性，以避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應。當不滿足規范要求時，可以改變結構平面布置，減小結構剛心與質心的偏心距達到規范要求。

2.6 周期比：限制結構的抗扭剛度不能太弱，使結構具有必要的抗扭剛度，減小扭轉對結構產生的不利影響。當不滿足規范要求時，只能通過調整改變結構布置，提高結構的抗扭剛度。

2.7 剛度比：主要為限制結構豎向布置的不規則性，避免結構剛度沿豎向突變，形成薄弱層。當不滿足規范要求時，可以適當加強本層墻、柱和梁的剛度，或適當削弱上部相關樓層墻、柱和梁的剛度以滿足要求。

3 框架計算簡圖的處理

無地下室的框架結構，基礎埋深較深時。為了加強底層的整體性，可以在0.00m 附近設置基礎連系梁。由于基礎連系梁的設計僅為構造設計，無法平衡底部柱腳的彎矩，更不能夠作為上部結構的嵌固部分，底層計算高度H 顯然不能取用基礎連系梁頂面到一層樓蓋頂面的高度。正確的設計是：柱的H 值取用基礎頂面至連系梁頂面的高度，也就是把基礎連系梁以下的部分看作底層，而把實際建筑的底層作為第二層計算，層高取用連系梁頂層至一層樓面的高度。當采用這樣確定計算簡圖時，應注意底層柱的配筋應取用基礎連系梁頂面和基礎頂面中較大內力設計值進行計算。帶有地下室的框架結構，合理確定上部結構的嵌固位置是非常關鍵的。而《建筑抗震設計規范》和《混凝土結構設計規范》都沒有明確提出具體位置，需要我們根據工程的實際情況來分析。采用箱型基礎或者能夠滿足《建筑抗震設計規范》的地下室結構時，可以將地下室頂作為框架上部結構的嵌固位置。在利用PKPM進行設計時，樓層總數僅輸入地下室以上的實際層數，底層的實際層高就是層高H。這樣設計的地震作用和實際情況較為接近，但是豎向荷載的計算僅計算到底層的柱底處。當地下結構是采用的筏板基礎，嵌固位置最好取在基礎頂面。在利用電算時，總層數應為實際的樓層數加上地下室的層數。如當建筑地上6層時，地下2層時，總層數取8層。按此確定的計算簡圖經整體計算后，地震作用相對保守，結構設計比較安全。

4 結構計算參數的選取

4.1 地震力的振型組合數

地震力的振型組合數，對高層建筑，當不考慮扭轉耦聯計算時，至少應取3，當振型系數多于3 時，宜取3 的倍數，但不應多于房屋的層數《建筑抗震設計規范》指出，合適的振型個數一般可以取振型參與質量達到總質量的90%所需的振型數。SATWE 已有這種功能，可以很方便地輸出這種參與質量的比值。此外，由于耦合計算的地震剪力通常小于非耦合計算，僅結構存在明顯扭轉時才采用耦合計算，但在必要時應補充非耦合計算。

4.2 框架結構活荷載的最不利布置、組合

當活荷載較大時，是否進行活荷載的最不利布置、組合對計算結果的影響非常大。使程序給定的梁設計彎矩放大系數，也不一定能反映出工程實際應力分布的情況，有可能造成結構不安全或保守。應注意的是PKPM中無法區分荷載規范，因此很難實現“荷載規范”區分荷載種類和樓面荷載折減系數的要求，程序中不區分不同的樓面活荷載類型，一般均按樓面活荷載類型考慮并取相應的折減系數，PKPM計算程序對樓面活荷載的折減是不全面的，使用PKPM計算時，應考慮區分不同構件進行分步計算，并在荷載輸入時將樓面活荷載折減。風荷載體型系數的選取應注意，當多個建筑物，特別是群集的高層建筑，相互間距較近時，宜考慮風力相互干擾的群體效應；一般可將單獨建筑物的體型系數乘以相互干擾增大系數，該系數可參考類似條件的試驗資料確定；必要時宜通過風洞試驗得出。

5 結論

結合筆者多年從事高層建筑結構設計的工作經驗，通過對高層建筑結構體系的介紹，同時結合高層建筑結構設計的相關規范，說明了高層結構設計中一些控制參數的使用，如軸壓比、位移比、剛度比等的作用及調整方法。最后以框架為例，概述在電算中計算參數的選擇，重點介紹了振型組合系數的選擇等，指出了在高層結構設計中應注意的一些問題，以提高結構設計的準確性、安全性和經濟合理性。提出的措施可為相關人員參考。