高層建筑結構設計及某工程結構選型研究

摘要：住房需求作為民生問題，其能否有效地解決直接決定著人們的生活質量。為了滿足人們的住房需求，我國建筑行業開始推行高層建筑。但因高層建筑建設起步晚，在結構設計和結構選型方面存在一些問題，使得高層建筑存在安全隱患。文章以6度區雙塔高層建筑為例，分析了高層建筑的結構設計與結構選型。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；結構選型；雙塔高層建筑；住房需求；建筑行業 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU973 文章編號：1009-2374（2016）05-0109-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.055

高層建筑是最近幾十年發展起來的一種建筑工程。在我國住房需求較大、土地資源逐漸匱乏的情況下，高層建筑的推出不僅解決了人們住房問題，還節約了土地資源。因此，近些年越來越多的高層建筑佇立在城市中。但因高層建筑的樓層高且功能、類型日益復雜，可能出現高層建筑結構設計或結構選型不當的情況，導致高層建筑存在一定的安全隱患，威脅著人們的生命健康和財產安全。對此，建筑行業必須從建設安全建筑的角度出發，深入研究高層建筑結構設計與結構選型。

1 高層建筑結構分析與設計

1.1 結構分析與設計基本特點

1.1.1 水平荷載成為決定因素。任何一個建筑結構都要同時承受垂直荷載和風產生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。相對于低層建筑來說，高層建筑所承受的垂直荷載和風產生的水平荷載對建筑結構的影響較大。而對比垂直荷載和水平荷載的作用，水平荷載的決定性作用更大。究其原因：（1）高層建筑自重和樓面使用荷載在建筑構件中產生的軸力與彎矩的數值，僅與樓房高度成正比。而水平荷載作用在建筑結構所產生的力矩和水平荷載作用在豎構件上所產生的軸力，都與樓房高度成正比，對高層建筑結構的影響更大。（2）從豎向荷載的風荷載和地震在高層建筑中的作用情況來看，兩者將直接影響建筑結構動力特性，隨著作用效果的增大，建筑結構動力特性變化幅度不斷增大。

基于以上公式，可以確定結構構件位移將對連續梁彎矩、構件剪力和側移有很大影響。原因就在于建筑結構構件變形，會使得軸向變形，差異軸將會使得連續梁中間支座處的副彎矩值發生改變。而對于構件剪力和側移的影響，則是按照矩陣位移法來分別考慮豎向桿件的軸向變形或不變形兩種情況，確定構件剪力和側移的確會受軸向變形所影響。

1.2 高層建筑結構體系類型

1.2.1 框架—剪力墻體系。框架—剪力墻體系是在框架體系強度和剛度不能滿足要求的情況下提出的。主要是通過設置剪力墻來替換部分框架，進而滿足標準要求。在框架—剪力墻體系中，剪力墻設置的主要目的是增強結構側向剛度，負責承受水平荷載，加之框架所承受的垂直荷載，整個高層建筑位移情況將大大減小。

1.2.2 剪力墻體系。整個高層建筑受力主體結構均有平面剪力墻構件組成的情況被稱為剪力墻體系。因剪力墻體系屬于剛性結構，其強度和高度較高且有一定的延性，使得其是一個良好的結構體系，能夠承擔高層建筑水平荷載和豎向荷載，保證高層建筑穩定。

1.2.3 筒體體系。單筒體、筒中筒、多束筒等多種形式的通體體系均是以筒體作為抗側力構建的構建體系。筒體是一種空間受力構件，但因其內部填充情況，可以使得其受力程度發生改變。所以在利用筒體體系中，可以根據風力、地震強度來合理設置筒體，促使其構件受力合理，提升高層建筑的穩定性。

1.3 高層建筑結構分析與設計方法

1.3.1 結構分析中常用的基本假定。高層建筑結構是由豎向抗側力構件通過水平樓板連接構成的大型空間結構體系。精準的安裝三維空間結構進行高層建結構分析是比較困難的。此時可以利用基本假定的方法來簡化分析結構，可以得到準確且有效的結論。常用的基本假定有：（1）彈性假定。在高層建筑結構受到垂直荷載或風力作用的情況下，結構處于彈性工作階段。假定建筑結構處于彈性狀態，那么建筑結構在遭到地震或強風的作用下，結構位移程度較大，且可能出現裂縫的情況。利用彈性方法計算此種假定情況下結構內力和位移，可以真實反映高層建筑結構的工作狀態。（2）小變形假定。諸多學者認為小變形假定應當利用非線性問題來了解高層建筑結構變化情況，也就是分析高層建筑結構在地震或風力作用下，假定頂點水平位移與建筑高度的比值為1/500時，分析高層建筑的非線性問題，從而明確高層建筑結構在垂直荷載和水平荷載的作用下結構的變化情況。

1.3.2 各類結構體系采用的分析方法。對于框架—剪力墻體系的分析，主要是采用連梁連續化假定，也就是根據剪力墻與框架位移協調條件，建立位移與外荷載之間關系的微分方程，對其進行求解，如此可以了解框架、剪力墻水平位移情況。而對于剪力墻體系的分析，最好采用平面有限元法，可以對不同類型的剪力墻結構進行計算和分析，明確剪力墻的轉換層等應力分布情況。筒體體系分析中常采用的分析方法有等效連續化方法、等效離散化方法、三維空間分析法。這三種分析方法的應用需要根據不同分析方法的特點及筒體結構類型，規范、合理地運用分析方法，從而了解筒體結構的應力變化情況。

2 6度區高層建筑結構選型研究

為了實現6度區雙塔高層建筑合理的、科學的結構選型，筆者將從以下三方面展開：

2.1 6度區雙塔高層建筑說明

6度區雙塔高層建筑是由兩個高層建筑組成的，總建筑面積約9萬m2，分別是33層和32層，地下室是兩層。1號樓底下三層為商業樓，上部為住宅樓，1號樓采用部分框支剪力墻結構，三層設高層轉換滿足建筑功能。本建筑高層采用的是帶轉換層高層建筑結構，部分建筑結構采用框支剪力墻結構。為了應用需要，將轉換層設置在3層，同時為滿足相關技術標準，對高層建筑框支柱、剪力墻底部進行了強化，使其達到一級抗震標準。2號樓為一般住宅樓，采用剪力墻結構。地下為停車場，1號樓1、2、3層商業建筑面積為1850.81m2；5～33層設為居民建筑，建筑面積為1192.67m2。2號樓32層建筑均設為居民建筑，其中1層的建筑面積為853.22m2；2～32層的建筑面積為871.98m2。

2.2 高層建筑結構體系方案的比較

基于以上內容的概述，考慮到建筑高度、功能、抗震、經濟性等因素，采用框架—筒體結構體系和剪力墻結構體系均比較適合。為了使6度區雙塔高層轉換層在轉換層層高情況下更好地滿足建筑功能的使用，筆者將對以上兩種高層建筑結構體系方案進行分析比較，選擇最佳的結構體系方案。

2.2.1 框—筒結構體系。由于結構平面布置需要充分考慮水平荷載和豎向荷載抵抗情況，在結構平面布置規則對稱的同時，也考慮其剛度的對稱，在矩形中部設置樓電梯井筒體，再根據建筑平面對稱布置框架。為了保證雙塔高層建筑1號樓采用部分框支剪力墻結構，三層設高層轉換滿足建筑功能，2號樓剪力墻結構，能夠抵抗地震作用，對結構縱橫兩個主軸方向進行抗震設計，也就是將梁和柱的中線進行重合設計，促使梁和柱直接傳力，減少主軸偏向，帶來不利影響。

2.2.2 剪力墻結構體系。基于6度雙塔高層建筑的規劃方案，為了避免雙塔高層建筑在轉換層層高情況下建筑結構可以有效抵抗水平荷載和豎向荷載，促使高層建筑依舊更好地滿足建筑功能的使用要求，1號樓三層設高層轉換滿足建筑功能，需要增強剪力墻結構體系，因此對剪力墻的設置為：（1）合理開設剪力墻的洞口，將一道剪力分成若干墻段，洞口連梁的跨度較大，促使剪力墻和連梁的彎曲變形能力大；（2）有效控制墻肢截面的高度，避免剪力墻突變，提高剪力墻底部的強度；（3）部分框支剪力墻結構的框支層，其剪力墻的截面面積不應小于相鄰非框支層剪力墻截面面積的50%。

2.3 計算參數及計算軟件

2.3.1 設計依據及基本參數。為了高質量、高效率地建成6度區雙塔高層建筑物，在設計此高層建筑的過程中，一定要遵照《建筑結構荷載規范》《混凝土結構設計規范》《建筑抗震設計規范》等，規范、合理地進行高層建筑結構選型。

由于地震作用對高層建筑的影響較大，而本次高層建筑又屬于A級高度建筑，在進行雙塔高層建筑結構選型時，需要明確場地的特征周期、地震影響系數、地震放大系數、基本風壓、地面粗糙級等方面的參數，并根據當地地質災害的評估結果，合理分析高層建筑。

2.3.2 計算軟件的應用。計算軟件采用PKPM-SATWE，它是專門為多、高層結構分析與設計而研制的空間組合結構有限元分析軟件。利用此計算軟件來分別分析框—筒結構體系和剪力墻結構體系中的相關數值，對比結構體系，從而優選適合的結構體系。對于SATWE計算軟件的應用，主要是：（1）設定整體參數。根據相關標準規范及雙塔高層建筑實際情況，對軟件初始參數和特殊構件進行合理設置；（2）確定整體結構的合理性。也就是明確6度區雙塔高層轉換層在轉換層層高情況下結構穩定、安全情況下的位移情況、剛度情況、剛重情況、剪重情況等，將其設定為指標，分別對兩種結構體系的高層建筑轉換層層高情況下各個因素的變化情況進行分析。

3 結語

綜合以上計算軟件計算結果可以確定，結構體系對建筑使用功能的影響較大。從結構受力的角度來看，框—筒結構體系的受力越大與核心筒的大小相關；剪力墻結構體系的受力與剪力墻的強度有關。所以，綜合考慮6度區雙塔高層建筑的各個方面及轉換層在轉換層層高情況下更好地滿足建筑功能的使用要求，選用剪力墻框架結構體系是非常適合的。

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作者簡介：覃金喜（1983-），男（壯族），廣西環江人，華藍設計（集團）有限公司工程師，研究方向：建筑結構設計。

（責任編輯：秦遜玉）