淺談高層建筑結構設計的若干問題思考

摘要：文章分析了高層建筑結構的設計特點，以高層建筑結構設計理論為基礎，以現(xiàn)行的國家相關規(guī)范標準為根據(jù)，對高層建筑結構經(jīng)濟性進行了深入的分析研究，得出了一些具有實用價值的結論，對高層建筑的優(yōu)化設計具有很大的實用意義。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；鋼筋混凝土；性能；

一、高層建筑結構設計總體指標控制

計算判斷結構抗震是否可行的主要依據(jù)是在風荷載和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，結構的振型曲線，自振周期以及風荷載和地震作用下建筑物底部剪力和總彎矩是否在合理范圍中。總體指標對建筑物的總體判別十分有用。譬如說若剛度太大，周期太短，導致地震效應增大，造成不必要的材料浪費；但剛度太小，結構變形太大，影響建筑物的使用。當然建議對于頂層構件可不考慮在內(nèi)，否則很難滿足上述指標。另外地震效應是與建筑物質(zhì)量成正比，減輕房屋自重是提高結構抗震能力的有效措施.高層建筑中質(zhì)量大了，不僅作用于結構上的地震剪力大，還由于地震作用傾覆力矩大，對豎向構件產(chǎn)生很大的附加軸力.因此，在小高層建筑房屋中，結構構件宜采用高強度材料，非結構構件和圍護墻體應有用輕質(zhì)材料。減輕房屋自重，既減小了豎向荷載作用下構件的內(nèi)力，使構件截面變小，又可減小結構剛度與地震效應，不但能節(jié)省材料，降低造價，還能增加使用空間。

對于小高層建筑結構而言，在結構選型上應注意以下幾點：

1.1結構的規(guī)則性

《抗規(guī)》、《高規(guī)》在這方面要求了相當多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、豎向抗側力、剛度變化宜均勻等，而且，《抗規(guī)》采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案。”因此，結構的規(guī)則性問題對整個結構設計是很重要的。

1.2上部結構嵌固端的設計

由于高層建筑一般都帶有一層或一層以上的地下室或人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，我們在嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性等問題上都要認真考慮，不得忽視。

1.3短肢剪力墻的設計

由于目前的建筑內(nèi)部空間以及美觀的要求，以及建筑造價經(jīng)濟合理的要求，從而對結構體系的要求也隨之提高，剪力墻結構（含部分短肢剪力墻）就是適應建筑要求而形成的特殊的剪力墻結構。剪力墻結構（含部分短肢剪力墻）能夠較好地完成建筑要求，并且較為經(jīng)濟合理

二、性能分析

2.1 抗震性能分析

對結構體系來說足夠的承載能力和變形能力是兩個同時需要滿足的條件。結合概念設計的理念，對上述兩種結構體系進行對比分析，電算程序可以采用中國建筑科學研究院編制的結構空間有限元分析軟件SATWE。在結構設計中，不僅要求結構具有足夠的承載能力，還要求其有適當?shù)膭偠?。高層結構的使用功能和安全與其側移的大小密切相關，過大的側向變形會使隔墻、維護墻及其飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞。結構分別按考慮5%的偶然偏心和雙向地震力作用的不利情況計算出各結構體系層間位移角，剪力墻結構小于框剪結構，但均小于規(guī)范要求，且富裕量較大，說明兩種結構體系滿足剛度要求。但就使用性能方面，剪力墻結構由于墻體太多，結構自重大，導致了較大的地震作用，混凝土和鋼材用量也較高；同時也增加了基礎工程的投資，而且限制了建筑上的靈活使用。而框架——剪力墻結構的特點是平面使用靈活，適用性強，結構合理，能使框架、剪力墻兩種有著不同變形性能的抗側力結構很好地協(xié)同發(fā)揮作用。在水平荷載作用下，具有較純框架和純剪力墻結構更為有利的水平變形曲線。由框架構成自由靈活的使用空間，容易滿足不同建筑功能的要求；同時剪力墻具有相當大的抗側移剛度，從而使框一剪結構具有較好的抗震能力，也大大減少了結構的側移。

2.2 經(jīng)濟性比較

我們通過對三種鋼筋混凝土建筑結構直接費的計算，發(fā)現(xiàn)三種鋼筋混凝土建筑結構單位面直接費相差不是很多，其中短肢剪力墻結構的單位面積直接費最大，框架——剪力墻結構的單位面積直接費最小，其中短肢剪力墻結構的單位面積直接費比框架——剪力墻結構的單位面積直接費高出12.5%，比大開間剪力墻結構的單位面積直接費高出7.3%，大開間剪力墻結構的單位面積直接費比框架——剪力墻結構的單位面積直接費高出4.9%。三種鋼筋混凝土住宅結構的次要項目造價基本相同。單位面積造價框架——剪力墻結構的最小，大開間剪力墻結構的次之，短肢剪力墻結構的會稍微較大些，然而三種結構體系直接費最大相差不到45元/㎡。

三、高層建筑鋼筋混凝土結構設計的要點

3.1 水平荷載逐漸成為鋼筋混凝土結構設計的控制因素

在低層建筑中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著鋼筋混凝土結構設計；而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對鋼筋混凝土結構設計產(chǎn)生著重要影響，但水平荷載將成為控制因素。對某一特定建筑來說，豎向荷載大體上是定值；而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨動力特性的不同而有較大幅度的變化。

3.2 軸向變形不容忽視

對于采用框架——剪力墻體系的高層建筑，框架中柱的軸壓應力往往大于邊柱的軸壓應力，這就使得中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，此種差異軸向變形將會達到很大的數(shù)值，其后果相當于連續(xù)梁中間支座產(chǎn)生沉陷，使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。

3.3 側移成為鋼筋混凝土結構設計的控制指標

與低層建筑不同，結構側移己成為高層建筑鋼筋混凝土結構設計的關鍵因素。隨著房屋高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，結構的頂點側移一般與房屋高度H 的四次方成正比。在設計小高層住宅時，不僅要求結構具有足夠的強度，而且還要有足夠的抗側移剛度，使結構在水平荷載下產(chǎn)生的側移控制在一定的范圍內(nèi)。這是因為：

a.過大的側移會使人不舒服，影響房屋的正常使用。

b.過大的側移會使隔墻、圍護墻以及它們的高級飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞，也會使電梯軌道變形而導致不能正常運行。

c.過大的側移會因P-△效應使結構產(chǎn)生附加內(nèi)力，甚至因側移與附加內(nèi)力的惡性循環(huán)導致建筑物的倒塌。

3.4 結構延性是鋼筋混凝土結構設計的重要指標

相對于低層建筑而言，高層建筑更柔一些，地震作用下的變形就更大一些。為了使結構在進入塑性階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當?shù)拇胧?，來保證結構具有足夠的延性。

四、高層建筑鋼筋混凝土結構設計策略

4.1 優(yōu)化設計的方法

當前，在無成熟的優(yōu)化設計分析軟件的情況下，主要是應用高層建筑結構分析軟件，采用人工分析進行調(diào)整，運用概念設計的方法對不同的結構選型和布置不斷的進行方案分析比較，以獲得比較理想的結構方案，這是在結構設計中最常用的也是最簡單的優(yōu)選或者說是優(yōu)化方法。用概念設計的方法所得的方案是較合理、經(jīng)濟的，雖其費工費時、對設計人員的素質(zhì)要求較高，但這種依靠設計人員經(jīng)驗進行人工優(yōu)化的方法仍是當前所普遍采用的主要方法。對于同一高層建筑方案，可以有許多不同的結構（包括基礎）布置方案；確定了結構布置的小高層住宅物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過程中設計參數(shù)、材料、荷載的取值也不是唯一的；高層建筑物細部的處理更是不盡相同等等，這些問題目前計算機是無法完全解決的，都需要設計人員自己做出判斷。

5結語

總之，高層設計時，做好概念設計，根據(jù)房屋的建造地點，平立面體形，層數(shù)多少，在滿足安全性、耐久性與舒適性要求的前提下采用合理的結構體系。在構件設計中精打細算，嚴格執(zhí)行規(guī)范構造要求對于整個建筑物，保證安全，降低造價影響巨大，這也是我們在今后設計中不斷提高及改進的。

參考文獻

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