高層建筑結構設計分析

袁國強

【摘 要】當高層建筑的層數和高度增加到一定程度時，它的功能適用性、技術合理性和經濟可行性都將發生質的變化。與多層建筑相比，在設計上、技術上都有許多新的問題需要加以考慮和解決。本文結合筆者多年的工作經驗，對高層建筑結構設計從多方面進行了分析，具有一定的參考價值。

【關鍵詞】高層建筑；結構設計；參考價值

0 前言

多層和高層結構的差別主要是層數和高度上，但從實際情況上分析兩者并沒有實質性差別，它們都要抵抗豎向及水平荷載作用，從設計原理及設計方法而言，基本上是相同的。但是在高層建筑中，要使用更多結構材料來抵抗外荷載，特別是水平荷載，因此抗側力結構成為結構設計的主要問題。

1 高層住宅結構分析

高層建筑結構設計過程中主要把握以下幾個方面：

1.1 水平荷載成為控制結構設計的主要因素

結構內力、位移與高度的關系，除軸向力與高度成正比之外，彎矩和位移隨高度都呈指數曲線上升，因此，隨著高度的增加，水平荷載將成為主要控制因素。水平力作用下結構是否優化，材料用量將有很大差別。

1.2 在抗震地區，隨著層數的增加，地震作用對高層建筑危害的可能性也比對多層建筑大，高層建筑結構的抗震設計應受到加倍重視，工程位于抗震區，無需進行地震作用計算，仍需要考慮抗震的構造措施。

1.3 結構側向位移成為控制指標

與多層建筑不同，結構側移已成為高層建筑結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而應將結構在水平荷載作用下的側移控制在某一限度之內。

1.4 軸向變形不容忽視

高層建筑中豎向荷載數值很大，使得柱產生較大的軸向變形，從而會使得連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大。軸向變形還會對預制構件的下料長度產生影響，需要根據軸向變形的計算值調整下料長度。另外軸向變形也會對構件的剪力和側移產生影響，如不考慮構件豎向變形將會得出偏于不安全的計算結果。

1.5 結構延性是重要設計指標

相對于多層建筑而言，高層建筑更柔一些，在地震作用下的變形會更大一些。為了避免結構傾覆倒塌，特別需要在構造上采取合理措施，使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，即保證結構具有足夠的延性。

2 結構分析的基本原則

2.1 整體參數的設定

開始結構計算時，首先需要根據規范的具體規定和軟件手冊對參數意義的描述，以及工程的實際情況，準確設置軟件的初始計算參數。其中有幾個關系到整體計算結果的參數，必須事先確定其合理取值，才能保證后續計算結果的正確性。這些參數包括地震信息、風荷載信息等。此計算目的是將這些對全局有控制作用的整體參數先行計算出來，正確設置，否則其后的計算結果與實際差別很大。

2.2 結構體系的合理性分析

規范特別強調了整體結構的科學性和合理性。對結構進行整體分析是為了解結構在地震作用下動力特性、判斷結構的變形是否滿足抗震設防要求，以及進行構件截面設計。規范中用于控制整體結構合理性的指標主要是周期比、位移比、剛度比、剛重比和剪重比等。

（1）周期比是控制結構扭轉效應的重要指標。周期比是結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比。限定周期比的目的是使抗側力的構件的平面布置更有效更合理，使結構不至于出現過大的扭轉。也就是說，限定周期比是使得結構承載布局合理。《高規》第4.3.5條對周期比的限值給出了規定。如果周期比不滿足規范的要求，說明該結構的扭轉效應明顯，設計人員應增大結構周邊構件的剛度，降低結構中間構件的剛度，以增大結構的整體抗扭剛度。計算軟件通常不直接給出結構的周期比，需要設計人員根據計算書中周期值自行判定第一扭轉和第一平動周期，然后計算得出周期比。

（2）層間位移比（位移比）是控制結構平面不規則性的重要指標。位移比為最大層間位移與平均層間位移的比值。在《建筑抗震設計規范》和《高規》中均對位移比的限值作了明確的規定。需要指出的是規范中規定的位移比限值是按剛性板假定得出的，如在結構模型中設定的是彈性板，則必須在軟件參數設置時選擇“對所有樓層強制采用剛性樓板假定”，以計算出正確的位移比。在得出的位移比值滿足要求之后，去掉“對所有樓層強制采用剛性樓板假定”的選擇，按彈性樓板假定進行后續配筋計算。

（3）剛度比是控制結構豎向不規則的重要指標。根據《抗震規范》和《高規》的要求，軟件分別提供了地震剪力與地震層間位移比，剪切剛度和剪彎剛度的計算方法。正確認識這三種剛度比的計算方法和適用范圍是剛度比計算的關鍵。地震剪力與地震層間位移比可用于判斷地下室頂板能否作為上部結構的嵌固端。剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉換結構及對地下室嵌固條件的判定。剪彎剛度主要用于底部大空間為多層的轉換結構。

（4）剛重比是控制結構整體穩定性的重要指標。剛重比是結構剛度與重力荷載之比。它既是控制結構整體穩定性的重要因素，也是影響重力二階效應的主要參數。如該值不滿足要求，則可能引起結構失穩倒塌，因而設計人員應給予足夠的重視。

（5）剪重比（剪力系數）是抗震設計中非常重要的參數。剪重比是樓層剪力與其上各層重力荷載代表值之和的比值。《抗震規范》中5.2.5節對剪重比的最小值進行了規定，主要是因為對于長周期結構，規范所采用的振型分解反應譜法無法正確計算出地震力所產生的作用，出于結構安全考慮，因而規定了最小剪重比。

2.3 結構構件的優化設計

上述主要是針對結構整體合理性的計算和調整，這一步則主要進行結構單個構件內力和配筋計算，包括梁，柱，剪力墻軸壓比計算，構件截面優化設計等。

2.3.1 軟件對混凝土梁計算顯示超筋信息有四種情況

1）當梁的彎矩設計值M大于梁的極限承載彎矩Mu時，提示超筋。2）在四級抗震及非抗震時混凝土截面受壓區相對高度ξ>ξb，二、三級抗震時ξ>0.35（計算時取AS=0.3AS），一級抗震時ξ>0.25（計算時取As=0.5AS），提示超筋。3）當大于《抗震規范》要求梁端縱向受拉鋼筋的最大配筋率2.5%時，提示超筋。4）混凝土梁斜截面計算結果不滿足最小截面的要求時，則提示超筋。

2.3.2 剪力墻超筋的情況

1）剪力墻暗柱超筋。軟件中設定的暗柱最大配筋率是4%，而各規范以邊緣構件方式給出了剪力墻主筋的配筋面積，沒有最大配筋率。所以當程序給出剪力墻超筋的警告信息時，可以酌情考慮。2）當剪力墻水平筋超筋時則說明該結構抗剪承載力不夠，應予以調整。3）當剪力墻連梁超筋時，通常表明其在水平地震力作用下抗剪承載力不夠。規范中允許在地震作用下對剪力墻連梁的剛度進行折減，折減后的剪力墻連梁在都會出現塑性變形，即開裂。但在進行剪力墻連梁設計時，應考慮其配筋是否滿彈性變形時承載力的要求。

2.3.3 柱的軸壓比計算

軟件在計算考慮地震作用下柱的軸壓比時，采用的是地震作用組合下的的柱軸力設計值；軟件在不考慮地震作用下柱的軸壓比時，采取的是非地震作用組合下的柱軸力設計值。因此對于同一個工程，考慮地震力和不考慮地震力時柱的軸壓比計算結果會不一樣。

2.3.4 剪力墻的軸壓比計算

為了保證結構在地震力作用下的延性，新的《高規》和《抗震規范》對剪力墻的軸壓比均作了限制。需要指出的是，軟件是按單向計算短肢剪力墻的軸壓比時，與《高規》中規定按雙向計算短肢剪力墻的軸壓比有所不同。

3 結語

綜上所述，依據規范和整體計算結果，針對工程的具體情況，在設計中采取針對性技術措施對薄弱環節予以了加強，故此得出，工程結構布置合理、技術可行，各項設計控制指標滿足規范要求。

[責任編輯：劉帥]