淺析高層建筑結構設計

李啟用

【摘 要】主要研究高層建筑結構設計，對高層建筑結構抗震設計、結構選型、參數選擇、長周期結構設計、轉換層設計等設計內容進行了討論分析，以某商務辦公樓設計為實例，討論了高層建筑結構設計問題。

【關鍵詞】高層建筑、結構設計

城市吸引著越來越多的人口，城市越來越擁擠，推動了城市高層建筑的建設。隨著人們生活水平的提升，人們對高層建筑功能的要求越來越多，給高層建筑結構設計帶來了很多困難，需要設計人員組織學習新的設計理念，采用更科學的設計方法，才能達到設計目標。

一、結構抗震設計

（一）基本步驟

抗震設計最常見的是基于性能的抗震設計方式，結合工程建筑場地條件、設防烈度、房屋高度以及建筑平面、立面不規則程度，結合業主對建筑抗震性能的要求和經濟情況，選擇合適的性能、目標，從而編制設計方案，進行論證和專家評審。

（二）抗震性能目標設定、選用

建筑物抗震性能目標是在設定地震作用下達到預期性能標準。實際工程中，性能目標的選擇需要對建筑場地條件、設防烈度以及建筑高度和建筑不規則超限程度等綜合考慮。建筑超限程度會對結構延性產生直接影響，結構構件承載力較高則不對延性變形能力提出很高要求，結構構件承載力較低，則延性變形性能要求較高。選擇超限程度時需要對二者進行協調。

（三）設計方法、設計目標

基于性能的地震設計方法在工程應用中比較簡單，常見的方法主要有基于承載力、基于位移和能量設計三種。

結構抗震設計首先需要進行工程的分析判別，對建筑方案高度、結構類型、規則性、抗震標準等進行全面分析，將其作為抗震性能目標主要依據。之后對建筑物設防烈度、場地條件、重要性、造價等因素進行綜合考慮，選擇合適的抗震目標，性能水準結構抗震目標可參考下表：

表1-1 結構抗震性能目標

A B C D

多遇地震 1 1 1 1

設防烈度地震 1 2 3 4

罕遇地震 2 3 4 5

地震地面運動是不可測的，所以結構強烈地震作用下非線性分析計算模型以及參數選用方面也有著很多經驗因素，工程建設缺少實際震害驗證，難以獲得較高的準確度，例如超高建筑自振周期較長，并且結構復雜、不規則，則抗震性能的準確判斷更加困難，所以選擇性能目標時應該盡量偏于保守和安全。

之后進行進一步的計算分析和工程判斷，是性能設計中最關鍵的部分，在進行結構分析判斷的基礎上找到結構薄弱位置，采取必要的加強措施，必要時要經過試驗驗證。結構抗震性能分析論證工作主要有以下幾個環節：

1.分析結構不規則程度和是否超過規范適用范圍，界定建筑結構是否為超限結構。

2.認定場地條件、抗震設防類別以及地震參數。

3.進行結構的彈性和彈塑性分析，并進行計算結果合理性的分析判斷。

4.分析判斷結構計算結果，確定地震作用下的薄弱部位，采取必要的加強措施。

5.首次使用的工程結構方案或者另類結構方案，在地震概念分析和計算分析結果都沒有把握的情況下，需要進行結構抗震試驗對其安全性進行論證。

二、結構設計依據及參數設置

以某商業辦公高層的結構設計為例，對高層建筑結構參數設置進行討論。該主樓采用鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結構。

（一）設計依據

1.項目場地巖土工程詳細勘察報告

2.項目場地地震安全性評價報告

3.國家有關結構設計規范、規程

（二）參數設置

表2-1 常規參數設置

混凝土 C30-C60普通混凝土

鋼筋 HRB400

鋼材 Q235B、Q345B、Q345GJ

風載荷 0.55KN/ ㎡

根據地勘報告，建筑場地類別，為II類場地，按照安評報告反應譜，分析多遇地震作用：

（2-1）

上式中：T-反映周期；

=0.10s；

-放大反應譜；

，衰減系數。

經計算可獲得地震參數：

表2-2 地震參數設置

地震 重現周期（年） 基準超越概率（%） 地震加速最大值（cm/s2） 特征周期（s） 地震水平影響極值

多遇地震 50 63% 18（38） 0.45（0.40） 0.04

設防烈度 475 10% 50（110） 0.45（0.50） 0.14

罕遇地震 1600-2400 2% 125（225） 0.45（0.50） 0.28

三、長周期結構設計

（一）結構選型

辦公主樓選擇鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構，平面結構規則，質量剛度分布比較合理，并且豎向構件上下連續貫通，核心筒作為有效的抗震抗風體系，通過內填混凝土顯著提高了鋼管壁的穩定性，對建筑立面復雜要求適應性很強。樓蓋結構選擇鋼梁、壓型鋼板混凝土組合樓板，地下一層頂板是上部結構嵌固端，選擇現澆結構樓板。

（二）結構彈性分析

上部結構的柱、梁以及斜撐構件全部使用桿件模擬，剪力墻使用殼模擬，樓板有彈性和剛性兩種形式。確定分析模型和參數后使用SATWE軟件進行獨立計算和結果分析，獲得相關結論。

四、時程波的選取

（一）反應譜延長

各國的抗震規范都普遍使用設計反應譜來表達地震數據作用，用于抗震設計安全性和經濟性參考。但是高層建筑的結構越來越復雜，很多工程項目的自振周期已經超過了規范地震影響曲線范圍，所以有必要對設計周期范圍進行擴展，參照抗震設計規范中對反應譜下降段衰減規律規定，延長反應譜下降速率到10s。

（二）時程段

我國對長周期段設計反應譜提高了很多，選擇合適的地震波獲得一致的“統計意義”比較困難，所以結構的時程分析之前首先需要分析頻譜，滿足“統計意義相符”，時程分析才能作為設計依據。

五、梁式轉換層結構設計

（一）梁式轉換層平面布置

要求平面布置應該盡量簡單規則，底部大空間轉換層應該設置為上下貫通剪力墻，剪力墻和主軸或者其他方向形成筒體則能夠獲得良好的工作空間。

受到地震影響，建筑結構的抗側作用性能非常關鍵，所以角部剪力墻底部不應該設置轉角大洞形成框支轉換，也不應該在結構底部設置為托柱轉換。

筒體底部墻體和落地剪力墻需要加強，并應該在墻體兩端設置翼墻或者端柱。

（二）豎向布置

帶轉換層結構需要設置落地剪力墻或者筒體。轉換層下部結構剛度需要盡量加強，并弱化上層結構剛度，保證結構整體合適的剛度、強度和抗震性能。轉換層上部的抗側力結構應該設置在主結構上，獲得更直接的傳力途徑，盡量減少轉換次數。

（三）樓蓋設計

樓蓋是板和梁的組合結構，承受豎向載荷，并將豎向荷載有效傳遞給柱和梁，而水平作用力需要通過樓蓋在豎向構件之間相互傳遞，實現整個結構的協同工作，提高結構傳力可靠性。轉換層位置樓蓋的水平荷載傳遞功能更加關鍵，因而轉換層樓蓋不能開大洞，必須開設樓梯間時需要使用混凝土落地剪力墻圍成落地筒體。

【結束語】城市人口越來越多，高層建筑的大規模建設是城市發展的必然，隨著人們生活水平的提升，人們對建筑的功能要求越來越多，進行高層建筑結構設計需要對人們的建筑功能需求進行認真分析，采用新型的設計理念和科學的設計方法，認真進行結構設計，才能保證高層建筑結構的安全性，提高結構的抗震性能，保證人們的生命財產安全。

【參考文獻】

[1]梁書梅，魏亞峰.淺談高層建筑結構分析與設計[J].科技信息（科學教研），2012（22）.

[2]焦維，秦艷.高層建筑結構設計的問題探討[J].科技致富向導，2011（27）.

[3]杜春環，馬穎軼.高層建筑結構設計問題探討[J].科技致富向導，2010（30）.

[4]何瑋瑋.高層建筑設計規劃設計要點探究[J].城市建設理論研究（電子版），2013，33（9）：67-68.

[5]魏巍.基于性能的抗震設計方法在高層建筑設計中的應用[J].城市建設理論研究（電子版），2012，46（28）：34-36.