高層建筑結構設計中的一些基本概念

【摘要】 本文以框架結構為例，指出了高層建筑結構設計中的幾個基本概念。設計人員除了遵從相關設計規范以外，還應該從概念設計的角度出發，將結構概念與工程實踐經驗，電算分析結果緊密結合起來，實現結構優化設計

【關鍵詞】 高層建筑；結構設計；概念

【中圖號】 X799.1【文獻標示碼】 A 【文章編號】 1005-1074(2008)12-0153-02

1 引言

近年來，高層建筑在我國又有了很大的發展，許多城市普遍興建了各種類型的高層建筑，包括住宅、旅館、辦公樓和多功能建筑等。這些建筑不僅數量大，施工速度塊，而且體型復雜，建筑結構體系的類型也更加多樣化。另外，高層的鋼結構建筑在我國也興建了不少，我國自己的高層建筑鋼結構設計和施工規程已經出臺。與此相應，圍繞高層建筑結構的科學研究也取得了眾多成果。廣大工程技術人員、研究人員的創造和探索，都大大豐富了高層建筑結構設計和施工的理論和實踐經驗。強調概念設計的重要，主要還是因為現行的結構設計理論與計算理論仍存在許多缺陷或不可計算性，比如混凝土結構設計中的內力計算是基于彈性理論的計算方法，而截面設計卻是基于塑性理論的極限狀態設計方法，這一矛盾使計算結果與結構的實際受力狀態差之甚遠。為了彌補這類計算理論的缺陷，或者實現對實際存在的大量無法計算的結構構件的設計，都需要相應的概念設計與結構措施來滿足結構設計的要求。結構工程師通過加強對結構概念的理解，能比較客觀、真實地掌握結構的工作性能，綜合運用其掌握的結構概念，選擇效果最好、造價最低的結構方案。

2 高層建筑結構設計的基本概念

本文以一高層框架結構辦公樓為例，介紹高層建筑結構設計中的一些基本概念和應該注意的問題。本框架結構的柱網尺寸為7.8m×7.8m，平面尺寸為23.4m×46.8m，建筑高度為40m，共10層，每層高4m，設計使用年限為50年。本建筑的混凝土采用C35，框架梁、柱受力鋼筋采用熱軋鋼筋HRB400，其余采用熱軋鋼筋HRB235。基本風壓w=0.4KN/m²，地面粗糙程度為B類；基本雪壓s=0.65KN/m²；抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，Ⅱ類場地土，設計地震分組為第一組。

2.1 高層建筑結構選型（結構體系的把握） 10層及10層以上或房屋高度大于28m的房屋建筑，稱為高層建筑。我們熟悉的高層建筑鋼筋混凝土結構主要有框架結構、剪力墻結構、框架—剪力墻結構、筒中筒結構等結構體系。本建筑層高為40m，從鋼筋混凝土房屋適用的最大高度及施工方面來考慮，建筑結構形式主要從框架結構和剪力墻結構中選擇。從抗側剛度的角度考慮，框架結構的抗側剛度小，變形較大，在水平荷載作用下變形曲線為典型的剪切型曲線，自下而上層間位移逐漸減小，可能需要截面尺寸較大的梁柱才能滿足規范中規定的風荷載或地震荷載作用下的側移要求，減少了有效使用空間，造成材料浪費；剪力墻結構整體性好，承載力及抗側剛度很大，變形曲線為典型的彎曲型，自下而上層間位移逐漸增大，可以滿足風荷載作用下的側移要求，但是隨著剛度的增大，所承受的地震反應也隨之加大，對結構的抗震設計提出了更高的要求；且剪力墻不同于框架結構中的輕質填充墻，不利于今后的建筑改造工作。下面分別計算單跨框架結構（柱跨度為7.8m，假設斷面為800mm×800mm，梁截面為600mm×300mm，樓層高度為4m）和單片剪力墻（跨度為7.8m，寬度為160mm，高度為40m）的抗側剛度。本建筑高度為40m，框架結構在《高規》規定的范圍內可以滿足建筑使用要求，與剪力墻結構相比，框架結構布置靈活，可形成較大的使用空間，自重輕，施工簡便且較為經濟，適合在20層以下的高層建筑中采用；在地震作用下，框架結構的延性比剪力墻結構的延性要好，故優先選擇使用框架結構。

2.2 框架柱、框架梁截面尺寸確定（軸壓比，剪壓比） 首先根據框架結構的層數，功能和所處的位置，確定抗震等級，從規范中查找軸壓比限值。然后根據結構的層數和單根柱分擔的樓層平面面積，初步估算單根柱所承受的荷載，根據軸壓比和混凝土的強度等級來初步估算框架柱的截面尺寸，通過試算判斷初步估計的數值是否合理。國內外的試驗研究表明，受壓構件的位移延性隨軸壓比的增加而減小。柱是框架結構中的豎向構件，地震時柱破壞和喪失承載力比梁破壞和喪失承載力更容易引起框架倒塌。在豎向荷載和往復水平荷載作用下鋼筋混凝土框架柱的大量試驗研究表明，柱的破壞形態主要有彎曲破壞(大偏心破壞，小偏心破壞)，剪切受壓破壞，剪切受拉破壞，剪切斜拉破壞和粘結開裂破壞。后四種破壞形態的柱的延性小，耗能能力差，應盡量避免；大偏壓柱的壓彎破壞延性較大，耗能能力強，柱的抗震設計應盡可能實現大偏壓破壞。規范對軸壓比按不同的抗震等級采取不同的限值，本例中軸壓比的數值為0.03～0.74，滿足規范中要求的框架結構抗震等級為二級時0.8的限值要求。當框架柱的軸壓比限值不滿足要求時，主要有增大柱截面尺寸和增大混凝土的強度等級二種解決方法。增大柱的截面尺寸是目前工程設計中普遍采用的方法，但這樣做除了加大建筑物自重，占用更多的建筑面積和空間等弊端外，還有可能會造成短柱，特別是在一些高層住宅樓層高較低的情況下，更容易出現短柱。采用增加混凝土強度等級的方法減小柱的軸壓比，在一定范圍內是可行的。但當混凝土強度取值過高時，其變形能力減小的問題尚待研究解決，因此，提高混凝土強度等級，只能在一定范圍內降低框架柱的軸壓比。如果適當放寬規范規定的軸壓比限值，就可使上述問題得到一定程度的緩解，根據已有的鋼筋混凝土的理論研究可以知道，在均勻側向壓力的作用下，混凝土的延性及抗壓強度都有所提高。根據大量的試驗數據可以發現，采用復合螺旋箍筋，可以達到施加側向壓力的作用，不但可以提高柱的抗震性能，提高軸壓比限值，減小截面尺寸，防止形成短柱，而且連續配箍不需要錨固彎鉤，節省了鋼材，并解決了普通綁扎箍筋在大變形時的失效問題，施工方便，特別是在梁柱節點核心區完全克服了普通箍筋施工的困難，并且機械化程度高，是地震區框架柱理想的配箍形式，值得在當前工程中大力推廣。許多工程設計人員往往以軸壓比作為框架柱確定截面尺寸的唯一指標，其實不然。軸壓比的限值是確定框架中柱截面尺寸的主要指標，但下面幾點也要注意。①邊柱和角柱所承受的樓面平面面積雖然沒有框架中柱大，但是國內外歷次大地震統計表明，邊柱，特別是角柱的破壞比框架中柱更嚴重，此時不能因為角柱、邊柱承受的樓面面積較小就減小其截面面積。規范規定一、二、三級抗震等級的框架角柱其彎矩、剪力設計值要乘以不小于1.1的增大系數。②從構造要求方面考慮，框架柱的最小截面尺寸還宜符合下列要求：柱的截面寬度和高度均不宜小于300mm；圓柱的截面直徑不宜小于350mm；柱的剪跨比宜大于2；柱截面的高度與寬度的比值不宜大于3。③為了防止由于框架柱截面過小，配箍過多而產生斜壓破壞，柱截面的剪力設計值（乘以調整增大系數后）應符合相關剪壓比的要求。框架梁的截面尺寸主要滿足三方面的要求：承載力要求、構造要求和剪壓比要求。承載力要求主要通過承載力驗算來實現，后兩者通過構造措施來實現。剪壓比的限值主要是為了防止框架梁截面過小，箍筋過多造成斜壓破壞，與框架柱類似，框架梁截面剪力設計值與梁截面應滿足相關剪壓比的要求，如不滿足，可以采取加大截面尺寸或提高混凝土強度的方法來實現。

2.3 框架結構中的重要控制指標

2.3.1 側移控制（層間位移及層間位移角） 在較低的樓房中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計；在較高的樓房中，盡管豎向荷載仍對結構設計有重要影響，但水平荷載卻起著決定性的作用。隨著樓房層數的增多，水平荷載作用下結構的側向變形迅速增大，因而水平荷載愈來愈成為結構設計中的控制因素。結構頂端側移⊿與建筑高度H的四次方成正比。本例中對于側移控制的分析主要采用側向剛度分析方法，也就是最簡單實用的D值法。對于一般高寬比比較小的框架結構，框架結構在水平荷載下的側移變形主要是由框架柱的層間剪力使框架梁柱產生局部彎曲變形的貢獻。框架柱的層間水平剪力和框架的層間側移一般均由上至下逐漸增大。框架結構的總側移則由此框架層間側移變形由下至上累計而成，本例中的框架結構就屬于這種情況。而對于高寬比比較大的框架結構，框架柱在軸向力作用下產生的軸向變形對框架結構總的側移變形貢獻很大，不容忽視。此時框架柱軸向變形使整個框架結構呈現整體彎曲型變形。這時，整個框架結構在水平荷載作用下的總側移變形，將由框架梁、柱彎曲變形產生的框架剪切型變形和框架柱軸向變形產生的框架彎曲型變形兩部分疊加而成，此時的框架結構總側移變形形狀介于豎向懸臂剪切梁剪切型變形和豎向懸臂彎曲梁彎曲型變形之間。經過大量工程的計算和工程實踐表明，小高層建筑軸向變形的影響很小，可以不予考慮；但是高層建筑由于豎向荷載很大，如果不考慮軸向變形，各構件的內力的平均誤差可達30%以上；尤其是結構頂端位移減少一半以上，從結構安全和結構舒適度的角度考慮，必須考慮軸向變形。

2.3.2 地震反應的控制（剪重比的要求） 剪重比也稱樓層最小地震剪力系數，樓層最小地震剪力系數是考慮到各樓層所必須承受的最小地震反應。當結構的剪重比不滿足規范規定的最小剪重比的要求且相差不多時，可采取加大水平地震作用效應的方法，以滿足規范的要求。結構試驗與工程經驗證明，處于中地震區的高層建筑地震作用為整個建筑物重量的2%～5%，而高地震區的低而剛度大的建筑可以達到10%～20%，可見矮胖型的鋼筋混凝土結構一般剪重比較大而體型纖細的長周期高層鋼筋混凝土結構一般剪重比較小，應注意判斷。計算機計算的底部總剪力的合理范圍一般可參考下列數值。對第一周期小于3.5s的結構，底部總剪力與總重量的比一般為:7度Ⅱ類土:Q/W=1.6%～2.8%；8度Ⅱ類土:Q/W=3.2%～5.0%。下表為本例中的X方向地震力和Y方向地震力作用下的剪重比數據，剪重比均滿足1.60%的要求，且框架底部剪重比介于上面的Q/W區間之間。從另外的方面考慮，剪重比過小，樓層地震力作用下地震反應小，結構剛度雖能滿足水平位移限值的要求，但不能滿足穩定要求。

2.3.3 振型分析（周期比的要求，扭轉控制） 周期比是結構以扭轉為主的第一振型周期Tg與以平動為主的第一振型 T_i之比，A級高度高層建筑不應大于0.9；B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑不應大于0.85.因此，控制周期比主要是為了減小扭轉效應對結構產生的不利影響。有關試驗及研究表明，當建筑以扭轉為主的第一自振周期T_R與以平動為主的第一自振周期T_i之比為不滿足規范要求，說明結構的抗扭剛度太弱，在地震作用下會產生較大的扭轉效應導致結構破壞，這時就需要加強結構的抗扭剛度。由于該結構為框架結構，框架柱為主要抗側力構件。加強結構的抗扭剛度，也就是加強框架柱的剛度，即增大柱的斷面。框架柱斷面增大后，結構的周期有所降低，但以扭轉為主的第一自振周期T_R與以平動為主的第一自振周期T_i的比值變化不大，仍然不滿足規范要求。如果把框架柱斷面再進一步增加，結果還是沒有改變。可以看出，同時增加柱斷面的方法不能解決上述問題。如果把框架結構考慮成一個由柱組成的筒體，把外部柱加強，而核心(內部)柱只滿足承載力驗算即可，這樣也可以加大結構的抗扭剛度。將外圍框架柱的斷面增大，而中間框架柱截面不變，可以增大平動周期，減小扭轉周期，使周期比滿足規范要求。下面僅列出本例中的前五階振型，其中以扭轉為主的第一振型周期為1.8781s，以平動為主的第一振型為2.1338s，兩者之比滿足要求見表1。

3 結論

高層建筑結構設計有很多基本概念，掌握和理解這些基本概念對于從事高層建筑結構設計和研究的工程技術人員十分有益。本文結合高層建筑設計中框架結構設計來闡述這些概念，深入理解這些概念有助于設計出既能保證質量又經濟合理的建筑。

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