淺析高層建筑結構設計要點

張俊華

（重慶宏筑建筑設計有限公司 重慶渝北 400021）

淺析高層建筑結構設計要點

張俊華

（重慶宏筑建筑設計有限公司 重慶渝北 400021）

隨著科學技術水平的不斷提升，我國建筑工程設計行業呈現出了新的發展特點。高層建筑由于整體高度較高、結構形式復雜以及受到較大的側向載荷等原因，其設計過程需要考慮的因素較多，這使得當前在高層建筑的設計中還存在著值得探討的問題。本文探討了當前高層建筑設計中存在的問題，闡述了高層建筑結構設計合理性控制要點，并通過設計實例進行了驗證，具有一定借鑒價值。

高層建筑；結構設計；存在問題；解決措施

引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，我國的建筑行業得到飛速發展，人們對于高層建筑的質量要求也越來越高，由于其結構設計的規范與否直接決定著高層建筑質量的優劣，所以結構設計在建筑工程中顯得尤為重要。所以當務之急就是盡快地提高行業內高層建筑結構的設計能力，抓住其特點，遵循設計原則，尋求創新與突破。

1 當前高層建筑結構設計中出現的問題

隨著高層建筑的不斷興建，我國很多高層建筑的結構設計中都暴露出了一些問題，給高層建筑的建設帶來了不利的影響。

1.1 高層建筑結構設計抗側力問題

與多層建筑相比，高層建筑在高度和層數上都有一個明顯的突破。從結構設計的角度，高層建筑與多層建筑在設計方法以及設計原理上基本是一致的。兩者的區別主要體現在水平荷載作用上，高層建筑的結構材料必須能夠抵抗更大的水平荷載，對于高層建筑特別是帶高位轉換層、多塔樓和大底盤的高層建筑，都很容易在抗側力結構上出現問題。

1.2 高層建筑基礎結構設計問題

高層建筑的地基基礎設計要求很高，有很多高層建筑的地基基礎設計沒有對荷載進行全面的考慮，在地基基礎設計中，沒有進行沖切、抗剪和抗彎的處理。在進行局部填土、隔墻設置等設計環節都沒有對荷載偏心的影響進行考慮。

1.3 高層建筑軸壓比控制問題

軸壓比的限制比在高層建筑中有著嚴格的規定，很多高層建筑的設計難以滿足軸壓比的規范要求，很多構件的截面受到了限制。軸壓比的限制對高層建筑的質量會產生很大的影響。

1.4 高層建筑連梁結構設計問題

高層建筑的連梁設計包括截面的尺寸、剪壓比的限制、連梁的剪力設計取值等等。如果高層建筑中對連梁的設計不準確，截面高度過大，跨度過小，就會影響高層建筑的抗震效果。一旦發生地震，連梁的剪力和彎矩過大，難以達到相應的抗震規范，影響高層建筑的使用安全。

2 高層建筑結構設計合理性控制要點研究

2.1 高層建筑基礎結構設計合理性控制

（1）當高層建筑的設計中有地下室這一內容時，要對荷載進行全面的考慮，地下室的外挑部分、局部填土、停車、水池等都會受到荷載偏向的影響。

（2）在對筏基和箱基的梁板配筋進行計算時，必須對底板上直接作用的梁板自重和荷載進行相應的扣除，當箱筏的四邊邊區格和四角的地基反應力過大的時候要對其進行加強配筋。

（3）如果高層建筑的地面有中庭設計，就必須對基礎底沿的軸線上進行基礎梁的設置。在使用倒梁法進行內力分析時，不到頂的中間柱是不能夠作為支點的，在進行集中荷載計算時必須同時計算柱底反力。

（4）在對箱基進行結構設計時，要注意對洞口上下的連梁進行考慮，驗算其截面面積，如果洞口大小或者位置出現修改，要對連梁抗剪強度和抗彎進行復核。

（5）如果采用的整體筏基和箱基的設計，就要對其樁土進行考慮，樁土的共同工作會產生一定的影響。在對基礎底板進行計算時，要對樁土共同作用的狀態或樁沉降狀態下的地基反力進行考慮。

2.2 高層建筑軸壓比設計合理性控制

一般來說提高混凝土的強度是對高層建筑軸壓比進行控制的直接方法。如果還不能達到相關標準，還可以使用其他方法來對軸壓比進行控制。

（1）混凝土的變形能力受到柱的箍筋的影響，因此可以通過對混凝土的橫向變形進行約束，來對裂縫的擴展進行延緩，并對截面抗剪能力進行提高。增大配箍率、使用合適的配箍形式都可以實現結構延性的提高。在設計時，如果采用井字復合箍進行沿柱全高，且保持箍筋的直徑、間距和肢距，一般來說直徑在8mm以上，間距在100mm以內，肢距在100mm以內。如果采用復合螺旋箍進行沿柱全高，則要保證8mm以上的箍筋直徑，100mm以內的螺距和100mm以內的肢距。

（2）在彈性模量方面，鋼筋的彈性模量高于混凝土6倍有余，如果配置了較多的縱向鋼筋在柱中，有余軸向壓力的影響，鋼筋會承擔更多的壓力，從而降低混凝土承擔的壓力。在設計中可以在柱截面中部加入附加芯柱，另加的縱向鋼筋的總面積不少于柱截面面積的0.8%都必須加入縱向鋼筋。

（3）提高混凝土強度等級對軸壓比的控制有直接的效果，但混凝土的強度越高其脆性也越大，因此要控制混凝土強度等級不超過C60。

2.3 高層建筑連梁設計合理性控制

在《高層建筑混凝土結構設計規程》以及《建筑抗震設計規范》等相關設計規范當中都明確的規定了連梁的截面尺寸、剪壓比限制以及剪力設計取值等內容。在具體的工程設計過程當中，因為連梁具有較小的跨度以及高度較大的截面，因此在地震的作用下，彎矩和剪力在經過內力的計算之后都比較大，因此無法使規范的要求得到充分的滿足，在對其進行設計的時候必須要以不同的情況為根據從而采取不同的措施。在地震作用下，為了對連梁的延性進行保障，并對剪力和彎矩進行有效的傳遞，剛度折減的系數就要高于0.55；在風荷載的作用下，為了將連梁的裂縫控制在正常的范圍內，就要使剛度折減的系數高于0.80。此外，如果調整剛度折減系數后連梁仍然難以滿足要求，則可以采用內調幅，并配置足夠的箍筋。若連梁的超筋較多，可以對連梁的高度進行減小，以減小剪力和彎矩。

3 高層建筑結構設計實例分析

3.1 工程概況

某工程建筑面積約51000m2，地上9層，地下1層，總高度47.5m，1～3層層高5.4m，4～9層層高4.5m，夾層層高4.0m。采用框架剪力墻結構，標準層建筑平面圖如圖1所示。本工程抗震設防類別為重點設防，基本地震加速度為0.1g，地震分組為第一組，特征周期為0.65s，框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級。

圖1 標準層建筑平面圖

3.2 結構體系

在框架結構平面的適當部位設置剪力墻，形成框架剪力墻結構，標準層結構平面圖布置如圖2所示。震害表明，框架剪力墻結構比框架結構在減輕框架及非結構部件的震害方面有明顯的優越性，剪力墻可以控制層間位移，降低了對框架的延性要求，簡化了抗震措施。同純框架結構相比，加上剪力墻后結構的耗能能力為同高度框架結構的20倍左右。

圖2 標準層結構布置圖

3.3 結構構件設計

（1）0.2Qo的調整。以地上9層作為1段進行框架部分承擔的地震剪力復核，結果顯示僅1層Y向框架達不到20%，為滿足框架作為結構抗震第2道防線的要求，對1層框架地震剪力放大1.230從而滿足規范0.2Qo調整的要求。

（2）剪力墻約束邊緣構件的設置。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》，取底部兩層和墻體總高度的1/10，二者的較大值作為底部加強部位，初步計算時，發現約束邊緣構件的縱筋配筋率超規范，后在計算時提高了剪力墻的豎向分布筋的配筋率，約束邊緣構件的縱筋配筋率就在規范的允許范圍內了。

（3）超長現澆板計算與設計。本工程X方向現澆板長為84m，Y方向現澆板長為72m，均比混凝土構件的建議長度長很多。而建筑平面不允許分縫，最終確定采用無縫的超長結構。超長結構采用PMSAP軟件對樓板的溫度應力進行計算，計算結果顯示2層、3層及頂層的溫度應力較大。超長溫度應力控制具體到施工圖中為以下三方面措施：①所有樓層在兩個方向上均設置溫度后澆帶；②2層、3層及頂層結合現澆空心板，沿板肋方向每個肋中設置3Uφs15.2（9）（60，60，60）溫度預應力鋼筋；③樓板采用雙層雙向配筋，實配鋼筋比計算值有所加強。

3.4 結構設計分析

（1）結構選型。本工程為適應使用功能的要求，保證結構的抗震性能，考慮水平地震作用時，采用振型分解反應譜法計算，不考慮豎向地震作用的影響。

（2）結構計算主要參數。計算振型個數：18；周期折減系數：0.8s；連梁折減系數：0.5；中梁剛度放大系數：2；梁扭矩折減系數：0.40。

（3）結構的計算結果分析

結構扭轉為主的第一自振周期Tt=1.2418s，結構平動為主的第一自振周期T1=1.5617s，Tt/T1=0.7952。X向剛重比EJd/GH2= 6.26，Y向剛重比EJd/GH2=6.48，該結構剛重比EJd/GH2>1.4，能夠通過《高層建筑混凝土結構技術規程》的整體穩定驗算；該工程結構剛重比EJd/GH2>2.7，可以不考慮重力一階效應。X方向最大層間位移角1/918<1/800，Y方向最大層間位移角1/1013<1/ 800。X方向的位移比為1.29，Y方向的位移比為1.34。X方向的有效質量及剪重比為99.45%，2.71%>1.6%，Y方向的有效質量及剪重比為99.58%，2.83%>1.6%。

3.5 地下室及基礎設計

（1）地下室。本工程設1層地下室，主要為汽車停車庫以及消防水池、消防泵房等設備和輔助用房，層高5.300m，外墻為350mm厚混凝土墻，底板厚400mm，頂板厚180mm。X及Y方向均設置兩道溫度后澆帶，貫穿底板外墻及頂板。地下室占地面積較1層面積大，局部挑出主樓，為滿足抗浮設計，在這些挑出部分設置抗拔樁用來抗浮。

（2）基礎方案。本工程主樓樁基的持力層為粘土，單樁豎向極限承載力標準值為5800kN。但該場地原有建筑下已有樁基礎，設計時盡量采用異形承臺，避開原有樁基礎。

4 結語

綜上所述，結構工程師在設計高層建筑結構的過程中，不僅要對結構計算的準確性進行重視，同時還要考慮如何合理地選擇結構方案，設計界現在對概念設計進行了大力的提倡，然而在實際的工程設計當中依舊存在著很多的問題，所以設計人員必須要以工程中遇到的實際情況為根據進行科學合理的設計。

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TU973

A

1673-0038（2015）01-0019-03

2014-12-16

張俊華（1976-），男，工程師，本科，主要從事結構設計工作。