高層建筑結構設計需關注的幾個問題

劉戈銳

（廣州港工程設計院有限公司 廣東 廣州 510100）

一系列新興結構設計方案以迅猛的速度出現在城市建設中，建筑類型與功能越來越復雜,高層建筑的結構體系也越來越多樣化，高層建筑結構設計也成為了高層建筑結構工程設計工作的重點和難點。面對這樣的形勢,我們應該把高層建筑的結構設計放在首要位置加以研究探討。

1 高層建筑結構受力方面

建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩定和水平方向的穩定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構件所組成，因此結構必須能將它本身的重量傳至地面，結構的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關系，所以，在建筑設計的方案階段，就必須對主要的承重柱和承重墻的數量和分布做出總體設想。

對于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結構體系的設計基本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加。豎向結構體系成為設計的控制因素，其原因有兩個：其一，較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒；其二，側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比，側向荷載對建筑物的效應不是線性增加的，而是隨建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有條件相同時，在風荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應更加明顯。在高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，高層建筑的結構受力性能與低層建筑有很大的差異。

2 關于框架柱截面大小的選擇

對于框架柱來講，軸壓比越小，在往復水平荷載作用下其滯回曲線越豐滿，即其耗能能力越大、延性越好；相反對于短柱，即柱凈高與截面高度之比小于4的柱，在往復水平荷載作用下其滯回曲線呈較瘦的反S形，耗能能力降低、延性較差，呈剪切破壞。對高層建筑的底部柱而言，為了滿足軸壓比限值的要求，故將柱截面取得很大，隨之而來，由于層高的限制，就使得框架柱成為短柱。這就帶來一個問題，到底是柱截面大好還是柱截面小好？在實際工程設計中，常采用以下幾種措施：第一，框架柱的截面首先要滿足規范軸壓比的要求，這對于保證結構的豎向承載力、底板的抗沖切承載力有很大的好處，對于形成的短柱則通過增加體積配箍率及沿柱身全高加密箍筋來提高延性；第二，采用高強混凝土、鋼管混凝土柱或勁鋼混凝土柱；第三，使柱的軸壓比滿足規范限制要求即可，不能使其過小。另外，對于底層框架柱來講，柱的抗彎剛度遠遠大于梁的抗彎剛度，梁板對柱的約束程度相對較小，因此底層柱很有可能是長柱并非短柱，所以采取上述措施，并符合強柱弱梁、強剪弱彎的原則后，底層框架柱在地震時是能夠做到不發生剪切破壞的。

同一樓層中各柱要盡量等剛度，即截面差異不要太大。在柱截面選擇時，有的是根據柱負荷面積進行的，中柱截面最大、邊柱次之，而角柱最小，這樣在同一樓層特別是在建筑底部會出現長短柱共存的現象。

3 關于現澆梁板共同作用的問題

現澆梁應考慮翼緣板的作用已為業內所共識，但對于框架梁翼緣板內與梁肋平行的上下層鋼筋共同參與梁端截面抗彎承載力的作用問題，國家相關規范均為有做出過明確的說明與規定。設計時常常將按實際剛度計算所得的梁端負彎矩鋼筋均配置在梁肋內，而翼緣板鋼筋則按現澆板受力要求配置。這就無形中增加了梁端負彎矩鋼筋的配筋量，導致框架梁的負屈服彎矩承載力的相應提高，極易形成 “強梁弱柱”。

為實現“強柱弱梁”的設計目的，保證在罕遇地震時能首先在梁端附近出現塑性鉸，形成具有延性功能的結構體系，則應將按設計荷載、地震作用計算所需的梁端負彎矩鋼筋合理地分布在梁肋及其有效的翼緣寬度范圍內；或者將計算所需的梁端負彎矩鋼筋減去有效翼緣寬度范圍內的板內上下層鋼筋面積，然后將剩余的負彎矩鋼筋配置在梁肋的寬度范圍內。至于多少范圍內的板內鋼筋可以被考慮為共同參與梁支座截面的抗彎工作這一問題，參考有關資料，筆者認為近似取5-6倍的板厚度（中梁）、2.5-3倍的板厚度（邊梁）。

4 屋面高大女兒墻的設計方法

對于高層建筑，為了照顧立面效果，屋頂女兒墻往往做的很高，其荷載效應對主體結構的影響越來越明顯，這一點常常被設計者所忽略。在設計上，女兒墻無法直接參與主體結構的分析，所以在計算時往往僅考慮女兒墻的自重，當女兒墻較低時，這種方法是符合精度要求的，不會影響結構的安全；但是，隨著女兒墻高度的增加，其地震荷載和風荷載效應也在增加，對主體結構的影響越來越大。

因此，當女兒墻較高時，要仔細計算女兒墻所受水平荷載的情況。由于其側向剛度較小，女兒墻一般采用鋼筋混凝土材料，配筋計算可按支承于屋頂的懸臂板來考慮，且應配雙層鋼筋。為保證屋面女兒墻與主體結構的可靠連接，屋面女兒墻所在的框架梁或墻必須具有足夠的抗彎、抗扭剛度，即對框架梁要根據女兒墻的底部計算彎矩配置受扭鋼筋。

對女兒墻的計算，主要應該驗算在正常使用情況下由風荷載引起的內力并進行截面配筋。但對于超越一般層高以上的屋面女兒墻、屋面高大構架，則應地震作用計算，并將其地震作用乘以放大系數3來進行內力、配筋計算，同時應考慮對屋面梁柱的影響，必要時應設置至少向內延伸一跨的框架結構，以抵抗風荷載、地震作用的不利影響。

5 剪力墻設計中需要注意的幾個問題

鋼筋混凝土抗震墻的延性和破壞形態與墻體的高寬比和超靜定次數密切相關。為了提高抗震墻的變形能力，避免發生剪切破壞，對于一道截面較長的抗震墻，應該利用洞口設置弱連梁，使墻體分為小開口墻、多肢墻或單肢墻，并使每個墻段的高寬比不小于2。但是，考慮到耗能，連梁又不能太弱，連梁弱到成為一般小梁時，墻肢就變成單肢墻，而單肢墻的延性很差，僅為多肢墻的一半，且單肢墻僅具有一道抗震防線，超靜定次數少，在地震作用下是很不利的。目前，有許多設計人員將結構中門洞連梁、窗洞連梁都改為截面高度極小的二力桿件，這對結構抗震是很不好的；在實際設計中，對連梁的剛度都要進行折減，這是因為剪力墻的剛度一般都很大，在水平力作用下，剪力墻中的連梁會因為很大的內力而超過截面允許值，可靠的辦法是讓這些連梁先屈服，要使連梁能形成塑性鉸而不發生脆性破壞，連梁首先就必須滿足強剪弱彎的要求，對連梁的剛度進行折減實際上就是降低其抗彎能力。連梁折減后，實際還存在超限問題，當連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時，可考慮在大震作用下超限連梁不參與工作，按獨立墻肢進行第二次多遇地震作用下結構內力分析，墻肢按兩次計算的內力較大者設計配筋。同時還可采用設置斜撐、雙連梁的方法解決問題。

規范規定，剪力墻在端部應設置暗柱、端柱等邊緣構件。這些邊緣構件的作用相當于磚混結構的約束柱，當結構的剛度較小，地震作用下層間位移和頂點位移較大時，邊緣構件所起的作用也就越大，此時暗柱的截面和配筋就應加大。如果剪力墻的總截面面積與樓層面積之比值較大時，且房屋高度較小、樓座面積較大時，墻端部的暗柱面積和配筋量就不需按規范要求設置那么多。

6 關于現澆混凝土樓板的配筋

高層建筑中的現澆混凝土樓板，計算時分為單向板和雙向板兩種，四邊都是固定的，按彈性理論利用微機或圖表進行計算，但是圖表有好多種，計算結果不盡一致，再者梁對板的約束難以達到絕對固定的效果，特別是邊梁對板的約束、活荷載的不均勻分布、梁的轉動卸荷以及塑性變形等因素都將引起內力重分布，結果使板跨中內力增大、安全度降低；另外還有一個施工因素，支座上的上層鋼筋，在施工過程中由于澆筑混凝土的傾壓、操作人員的踐踏等原因造成不同程度的下沉，使內力臂減小，從而降低板的支座內力，而抵抗正彎矩的下層鋼筋容易保證，結果使板支座部分安全度提高，相對而言跨中安全度降低，所以在實際設計中，邊跨板跨中配筋宜按照邊跨鉸接計算結果配筋，邊跨板支座配筋可不調整，按照邊跨固結計算結果。對于大跨板相鄰小跨板的情況，小跨板通常板厚較小，考慮到其實際的約束作用可能減弱，大跨板跨中配筋宜適當放大1.1-1.2倍。

7 結束語

總之，高層建筑結構設計是一個復雜、長期、循環往復的過程，結構設計工程師在設計的過程不僅要嚴格執行規范中相應的構造要求，還要結合實際情況，進行結構分析并且制定多種方案進行比較分析，只有這樣才能從根本上消除設計質量的隱患。

［1］劉偉瓊.關于高層建筑結構設計探析[J].中國新技術新產品，2011，3.

［2］房國府.高層建筑結構分析與設計[J].中國高新技術企業，2010，33.