關于高層建筑中結構設計方案的對比探討

焦 點

(中國瑞林工程技術有限公司)

關于高層建筑中結構設計方案的對比探討

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隨著當前我國經濟社會的不斷進步，高層建筑越來越廣泛的出現在人們的生活中。作為一個龐大復雜的系統，在高層建筑結構設計進行結構選型時，不僅要考慮結構體系的適用性與經濟性，還要充分考慮抗震性能等幾方面。本文就以某小區為例，對目前普遍采用的幾種結構形式進行分析比較。

小高層建筑；結構設計；抗震性能

一、高層建筑結構設計的基本特點

高層建筑結構設計與低層、多層建筑結構相比較，結構專業在各專業中占有更重要的位置，不同結構體系的選擇，直接關系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有；

1、水平力是設計主要因素

高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結構設計產生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。

2、側移成為控制指標

隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

3、抗震設計要求更高

有抗震設防的高層建筑結構設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結構具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

4、結構延性是重要設計指標

相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。

二、案例概述

某小區的十二層，一梯兩戶兩單元住宅，對稱結構，層高均為2.9m，建筑物總高34.8m，長34.2m，寬14.7m，每層面積490m2，總面積5880m2，抗震烈度為6度，場地土類別為三類，基本風壓：0.6kn／m，采用“多層及高層建筑結構三維分析與設計軟件”程序及有關規范對不同的結構設計方案進行計算并分析比較。

1、框架結構

此方案的特點是一般用于多層結構及小高層結構，適用高度范圍一般為60m以下。框架結構布置靈活，具有較大的室內空間，使用較為方便。填充墻可采用輕質隔墻，減輕結構自重。但內凸的框架柱直接影響到戶型的實際使用面積及家具布置。

2、異型柱框架結構

根據行業標準《砼異型柱結構技術規程》JGJ149—2006第3.1.2條抗震設計為6度時，異型柱結構適用的房屋最大高度為24m，本工程建筑總高為34.8m。故不宜采用異型柱框架結構。

3、框架剪力墻結構

這種結構既具有框架結構布置靈活，使用方便的特點，又具有較大的剛度和較強的抗震能力。但內凸的框架柱同樣影響到戶型的實際使用面積及家具布置。

4、異型柱框架剪力墻結構

這種結構體系是框架剪力墻的一個派生結構形式，是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載，異型柱主要承受豎向荷載，水平位移及層間位移大大減小。同時，與墻同寬的異型柱又能更好地解決建筑平面使用問題。

5、普通剪力墻結構

這種結構體系一般用于高層結構住宅，此方案的特點是根據建筑平面布局而設置鋼筋砼墻，與墻同寬的剪力墻很好地解決了建筑平面使用問題。總高度僅34.8m，抗震設防烈度為6度區，若采用純剪力墻結構，造價高，故不作為該工程的首選結構類型。

6、短肢剪力墻結構

此方案的特點是適應建筑要求而形成的特殊的剪力墻結構，根據建筑平面布置，在建筑物凹凸轉角處布置各種行式的短墻肢。因采用這種結構體系時，將中部的電梯間、樓梯間和管道井四周的剪力墻組成筒體結構，四周布置短肢剪力墻，也可根據需要布置一些長肢墻，所以結構布置極為靈活，基本上能根據建筑的要求布置豎向受力構件。

三、結構抗震性能的比較

1、框架結構

用于多層及小高層結構，即建筑物高度小于28m，對于大于30m的框架結構，在抗震設防烈度為6度地區，《高規》第4.8.2條規定，抗震等級為三級．SATWE程序計算結果顯示，此結構在水平荷載的作用下，水平位移及層間位移為最大；由于框架柱作為唯一的抗水平力構件，軸壓比限值為 0.90，故框架柱截面尺寸較大，內凸的框架柱直接影響到戶型的實際使用面積及家具布置。而且由于建筑的平面使用或立面造形的要求，經常出現框架兩一端擱置在柱上，另一端擱置在梁上；或幾根框架柱并不在一條軸線上，往往出現單跨框架的現象，成為抗震薄弱環節。

2、異型柱框架結構

異型柱在受剪承載力、節點承載力和延性等受力性能方面比普通矩形柱差，在水平地震作用下，柱內鋼筋的粘結錨易遭受破壞，對抗震性能有不利影響。因此，鋼筋砼異型柱框架及框架抗震墻結構的房屋應在一定的高度及適用范圍內應用，而不能等同于一般的鋼筋砼結構。

3、框架剪力墻結構

一般用于高層結構，在近幾年的高層結構設計中應用廣泛，此方案的特點是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載，框架柱主要承受豎向荷載，水平位移及層間位移大大減小，軸壓比限值較框架結構放寬，但考慮框架柱的構造要求，及實際計算中若軸壓比大于0.9，則柱配筋較大，所以在小柱網的住宅中，與框架結構相比，柱截面尺寸與不可能小很多，同樣存在上述建筑使用問題。

4、異型柱框架剪力墻結構

這種結構體系是框架剪力墻的一個派生結構形式，此方案的特點是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載，異型柱主要承受豎向荷載，水平位移及層間位移大大減小。同時，與墻同寬的異型柱又能更好地解決建筑平面使用問題。6度地區，框架剪力墻結構總高度不得超過 45m，柱中距不大于7.2m。抗震等級之所以異形柱有上述的限制條件，主要是異形柱的肢長較短，當建筑的高度較高時，異形柱無法滿足軸力和抗側力的要求。

5、普通剪力墻結構

此方案的特點是根據建筑平面布局而設置鋼筋砼墻，適當部位開結構洞，以輕質填充墻代替，以減輕結構自重及工程造價，可使各墻段剛度均勻，抗震性能好，水平位移及層間位移大大減小，尤其在戶型的實際使用面積及家具布置中。

6、短肢剪力墻結構

由于短肢剪力墻抗震性能較差，地震區應用經驗不多，為安全起見，對這種結構抗震設計的最大適用高度、使用范圍、抗震等級、墻肢厚度、軸壓比，截面剪力設計值、縱向鋼筋配筋率均做了較嚴格的限制。

四、計算結果的比較

地震周期。框架結構最大(T1=1.6463S)，短肢剪力墻結構最小，異型柱剪力墻結構次之，其余結構相差不大。顯然，這是與結構的剛度有直接關系。

水平地震剪力。框架結構最小(1347.77f)，短肢剪力墻結構最大，異型柱剪力墻結構次之，其余結構相差不大。顯然，這是與結構的地震周期是一致的。

最大層間位移。框架結構最大(Dx／h=1／455)，短肢剪力墻結構次之(1／3591)，其余結構相差不大。顯然，這是與結構的剛度是一致的。

結構自重。框架結構最大，其余結構相差不大，活載相差不大。恒載占總重量的百分比為93%以上，故在高層計算中，一般可不考慮恒活最不利組合，這對計算結果幾乎無影響。

砼用量。短肢剪力墻結構與異型柱剪力墻結構較大，其余結構相差不大(約1333)。相差了146／13.1=1.1倍。

鋼筋用量。短肢剪力墻結構與異型柱剪力墻結構較大，其余結構相差不大(約16.0t)。相差了18.5／16.0=1.15倍。這是由于前者結構的最小配筋率要求較高。

工程造價。短肢剪力墻結構與異型桂剪力墻結構較大，框架結構最小(349元m2／ )。這是由于短肢剪力墻結構與異型柱剪力墻結構在砼用量和鋼筋用量均較高。

五、結論

綜上所述，各種類型均有優缺點，設計師應充分重視概念設計，根據其受力的特點，了解其破壞的各種機理合理、對稱、均勻地布置短肢墻，正確掌握計算機分析方法和截面設計，并不斷地總結經驗，根據建筑物所處的地區、業主的要求以及地質條件在滿足國家規范及強制性條文的要求下選擇合適的結構類型。

[1]（建筑地基基礎設計規范）(GB50007-2002)

TU7

B

1007-6344（2015）09-0139-01