淺談高層建筑結構設計

陳建輝 劉擁軍

摘要：近幾年來，高層建筑的日益增多，致使地震的發生所帶來的破壞逐漸變大，所以須在結構上采取有效措施，從而使高層建筑的抗震性得以提高，本文從實際出發，談談高層建筑結構設計。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；抗震設計

1 引言

改革開放后，是我國高層建筑在設計計算及施工技術各方面迅速發展的階段。各大中城市普遍興建高度在100m左右或100m以上的以鋼筋為主的建筑，建筑層數和高度不斷增加，功能和類型越來越復雜，結構體系日趨多樣化。進入九十年代我國高層建筑結構的設計與施工技術進入了新的階段。不僅結構體系及建筑材料出現多樣化而且在高度上長幅很大有一個飛躍。

2 高層建筑結構設計

2.1結構體系的選擇

由于抗水平力的設計在高層建筑已成為主要矛盾，因此抗側力結構是結構設計的關鍵問題。根據抗側力結構，鋼筋混凝土結構可分為框架結構、框架-剪力墻結構、剪力墻結構、筒體結構等幾種結構體系，這些體系的受力特點、抵抗水平力的能力是不同的，特別是抗震性能是不同的，因此具有不同的適用范圍。

框架結構由梁、柱構件通過節點連接構成，不僅在豎向荷載作用下，還要承受水平荷載，并能提供建筑室內空間布置靈活。當建設層數較少時，水平荷載對結構的影響較小，結構更為合理，當層數較多時，由于框架結構的影響在水平力作用下，內力分布是不均勻的，并存在層間屈服強度特別薄弱層，且由于框架結構的構件截面慣性矩相對較小，導致側向剛度較小，側向變形較大。在強烈地震作用下，結構的薄弱層率先屈服，發生彈塑性變形，并形成彈塑性變形集中的現象，震害一般是梁輕柱重，柱頂重于柱底，尤其是角柱和邊柱更容易發生破壞，除剪跨比較小的短柱易發生柱中剪切破壞外，一般柱是柱端的彎曲破壞。因此，框架結構屬于剪切變形的柔性結構，限制使用高度，主要用于非抗震設計和層數相對較少的建筑。剪力墻結構中，剪力墻沿水平，垂直或斜軸正交布置，鋼筋混凝土墻的水平荷載和豎向荷載作用下，屬于彎曲變形的剛性結構。該種結構的抗側力剛度比框架結構大得多，在水平力作用下側向變形小，空間整體性好。剪力墻結構的工作狀態可分為單肢墻、小開口墻、聯肢墻，單肢墻和小開口墻的截面內力完全或接近于按材料力學公式成直線分布規律，其平衡地震力矩只靠截面內力偶負擔。聯肢墻則通過連系梁使許多墻肢共同工作，地震力矩可由多個墻肢的截面內力矩與連梁對墻肢的約束力矩共同負擔，設計原則是梁先屈服，然后墻肢彎曲破壞喪失承載內力。當連梁鋼筋屈服并且有延性時，即可吸收大量地震能量，又能繼續傳遞，彎矩和剪力，對墻肢有一定的約束作用。由于剪力墻結構自重大，建筑平面布置局限性大，難以滿足建筑內部大空間的要求。因此其更多地用于墻體布置較多，房間面積要求不太大的建筑物中，既減少了非承重隔墻的數量，也可使室內無外露梁柱，達到整體美觀。

框架-剪力墻結構是指在適當的位置在框架結構中加入剪力墻，是剛柔相結合的結構體系，可以提供建筑使用空間的大開間，是由多個單片剪力墻和框架組成。在這種結構體系中，框架和剪力墻共同承擔水平力，但由于兩者剛度相差很大，變形形狀也不相同，必須通過各層樓板使其變形一致，達到框架和剪力墻的協同工作。從受力特點看，剪力墻彎曲變形，框架主要是剪切變形，由于變位協調，在頂部框架協助剪力墻抗震，在底部剪力墻協助框架抗震，抗震性能由于更好地發揮各自的優勢，大大提高了。它可以滿足各種不同高度建筑物的要求而廣泛應用。

以上分析了三種常用的鋼筋砼結構體系的特點，通過分析比較看出，選擇高層建筑結構抗側力體系通常需要考慮的兩個主要原因是建筑物的高度和用途。

2.2結構類型的選擇

高層建筑本質上是一個垂直的懸臂結構，豎向荷載主要是軸向力的結構，與建筑物的高度一般為線性關系；水平荷載引起結構的彎矩。從應力特征，豎向荷載不變，隨著建筑的增高而增加；而水平荷載，從任何方向均布載荷時，彎矩和建筑物的高度是兩倍的變化。從側移特性看，豎向荷載引起的側移很小，而水平荷載當為均布荷載時，側移與高度成四次方變化。由此可見，在高層建筑結構中，水平荷載的影響比垂直荷載的影響更大，水平荷載是結構設計的控制因素，結構抵抗水平荷載產生的彎矩、剪力以及拉應力和壓應力應有較大的強度外，同時要求結構要有足夠的剛度，使隨著高度增加所引起的側向變形限制在結構允許范圍內。

根據高層建筑的受力特點，在一定的物質和技術條件下，在設計中為了滿足建筑功能和抗震要求，結構類型具有良好的經濟效益和建設速度是非常必要的。高層建筑的結構類型主要用于鋼結構和鋼筋混凝土結構。鋼結構具有強度高，重量輕的優點，抗震性能好，施工周期短，與鋼結構截面相對較小，具有良好的延展性，適用于靈活的程序結構。其缺點是成本相對較高，當場地土特征周期較長時，易發生共振。與鋼結構相比，現澆鋼筋砼結構具有結構剛度大，整體空間好，成本低，原材料豐富等優勢，可以組成多種結構體系，以適應施工要求的各種類型，廣泛應用于高層建筑，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結構。其突出缺點是結構自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長，當場地土特征周期較短時，易發生共振。因此，高層建筑的結構形式，應取決于其結構和材料的性能，同時也取決于土壤類型，土壤和建筑物避免共振。

2.3結構布置的選擇

在高層建筑的設計中，結構布置一般應考慮以下幾點：

（1）應滿足建筑功能要求，做到經濟合理，便于施工。建筑物的開間、進深、層高、層數等平面關系和體型除滿足使用要求外，還應盡量減少類型，盡可能統一柱網布置和層高，重復使用標準層。

（2）高層建筑的位移控制是主要矛盾，除了平面體型和立面變化等方面考慮，應考慮提高結構的整體剛度，減小結構位移。在結構安排上，應加強整體結構和連接的剛度，加強構件的連接，使結構各部分以最有效的方式共同作用；加強基礎的整體性，以減少由于基礎平移或扭轉對結構的側移影響，同時，我們要注意加強結構的薄弱部位和復雜應力部位的強度。此外，增強整體寬度也可以減小側向位移，在其他條件不變的情況下，變形與寬度的三次方成正比。因此宜對建筑物的高寬比加以限制，體型扁而重的建筑是不合適的，宜采用剛度較大的平面形狀，如方形、接近方形的矩形、圓形、Y形和#形等塔式建筑，即把使用要求及建筑體型多樣化和結構的要求有機地結合起來，又可形成側向穩定的體系。

（3）在地震區，以減少對全局和局部的不良影響結構的地震作用，如扭應力集中的影響，建筑平面形狀宜規正，避免過度伸展或收縮，沿高度的層間剛度和層間屈服強度的分部要均勻，主要抗側力豎向構件，其截面尺寸、砼強度等級和配筋量的改變不宜集中在同一樓層內，應糾正“增加構件強度總是有利無害”的非抗震設計概念，在設計和施工中不宜盲目改變砼強度等級和鋼筋等級以及配筋量。簡單地說，每個部分的對稱結構的剛度，結構單元的形狀應該是簡單的規則，垂直型應避免擴展和收入結構，避免了豎向剛度突變。平面的長寬比不宜過大，以避免兩端相距太遠，振動不同步，應使荷載合力作用線通過結構剛度中心，以減少扭轉的影響。特別是建筑電梯的布置。

2.4 提高結構的抗震性能

由于高層建筑的特征應力不同于低層建筑，因此在地震區高層建筑的結構設計，除了結構具有足夠的強度和剛度，而且具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設計，使建筑小震不壞，中震可修，大震不倒。為了滿足這一要求，結構必須吸收地震能量的能力產生一定的塑性變形，削弱地震破壞的影響。

框架結構的設計應使節點沒有破壞，梁比柱的屈服易早發生，在同一層的柱端屈服過程盡可能長的時間，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應使梁！柱端的塑性鉸出現得盡可能分散，充分發揮整體結構的抗震能力。為了確保鋼筋混凝土結構具有足夠的延性和地震作用下的承載能力，應按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點弱構件”的設計原則，對柱截面尺寸的合理選擇，控制軸壓比，注意構造配筋要求，特別是要加強節點的構造措施。

框架—剪力墻結構和剪力墻結構在各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下彎剪破壞，且塑性屈服的墻盡可能多在底部。連梁宜在梁端塑性屈服，并有足夠的變形能力，在墻段充分發揮抗震作用前不失效，按照“強墻弱梁”加強承載力剪力墻的原理，以避免墻肢的損壞，提高抗震能力。

3 結束語

高層建筑的結構體系、結構形式、結構布置、抗震性能等方面經過概念設計，從而更有效地創造新的措施和計劃，提高建筑結構設計。國家對高層建筑抗震設計的要求也不斷作了提高，這樣會使我國的高層建筑在抗震設計方面必將進入新的階段，這樣地震能給我們帶來的損失將會變得很小。