對高層建筑結構設計計算方法的探討

廣東省高州市建筑設計院 525200

摘要：本文通過對高層建筑結構設計中的一些問題進行探討，結合實踐經驗提出具體建議。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；計算方法；計算結果

隨著人們對建筑功能要求的多樣化，建筑類型和功能愈來愈復雜，結構體系日趨多樣化，出現了各種形式的多塔、錯層、帶轉換層、樓板局部開大洞的結構類型，其中立面布置也越來越復雜。下面就本人在這幾年的設計實踐中的一些體會進行總結。

1高層建筑的結構初步設計

結構初步設計是高層建筑結構設計最關鍵的一個步驟，因為在結構初步設計中，要進行方案的比較，最終確定高層建筑的結構方案，而結構方案在結構設計乃至整個高層建筑的設計中起決定性的作用。在高層建筑結構初步設計過程中，需要進行各種適宜方案的比較分析，結構工程師需要具備豐富的設計經驗知識。我們研究開發高層建筑結構初步設計的專家系統的根本目的就是：建立一個知識系統，為高層建筑結構初步設計提供切實可行的方案，來進行智能化的計算機輔助設計，以提高設計質量和設計效率。

2結構初步設計的特點

結構初步設計是結構設計中最關鍵的一環，結構初步設計中的失誤是無法在施工圖設計中彌補的。工程師在確定結構初步方案時往往不是依靠計算而是靠與過去已建方案的比較，也就是說，主要是一個分布信息的映射過程。盡管有時需要進行一些試分析，所需要的計算精度也不高。此外，在結構初步設計階段必須考慮到各種工種的配合，特別是與建筑、設備和環境工種的相互配合。因此各結構參數的選定必須滿足多目標的要求，各種影響因素的關系常常是一種網絡關系。最后方案的選取在一定程度上因人而異，有一定的靈活性。許多結構物的概念特征都在初步設計中得以體現。

3高層建筑結構初步設計的內容

高層建筑的定義并不取決于它的高度或層數，最重要的準則在于它的設計是否受到某些“高度”特性的影響：高層建筑的“高度”強烈地影響著其規劃、設計、建造和使用；高層建筑的“高度”使得它與“常規”建筑有較大的區別。建筑結構設計不是純推理問題，其方案設計與建筑設計有著緊密的聯系。為此，在進行建筑平面布置、確定立面造型與剖面構造的同時，就要充分考慮結構方案的可行性，其中包括材料的選用與施工條件等現實問題。高層建筑結構初步設計的首要問題是在上述約束下做出結構體系優選的決策。就國內應用最為廣泛的鋼筋混凝土結構而言，從結構體系來分，主要有框架結構、剪力墻結構、框架；剪力墻結構、框架；筒體結構、筒中筒結構以及巨型框架結構。一般結構要同時承受垂直荷載和水平荷載，還要抵抗地震作用。高層建筑由抗側力結構體系和抗重力結構體系構成。在高層建筑中，水平荷載和地震作用是控制因素。高層建筑設計不僅需要較大的承載能力，而且需要較大的側向剛度，使水平荷載產生的側向變形限制在一定范圍內。因此，高層建筑結構設計中，抗側力結構的設計成為關鍵。高層建筑結構初步設計的目標就是確定一個結構安全合理、滿足建筑功能要求、經濟上合理的結構方案。

4計算模型的選取

由于建筑都是空間整體的，在當今計算機使用普及和要求計算分析精度的情況下，應優先采用基于空間作用的計算機分析方法及相應軟件。

4.1 樓板變形比較顯著的結構

在下列情況下，樓板變形比較顯著，樓板平面內剛度無限大的假定不符合實際情況，應對采用剛性樓面假定的計算結果進行修正，或采用樓板面內為半剛性的計算方法。①樓面有很大的開洞或缺口，樓面寬度狹窄；②平面上有較長的外伸段；③底層大空間剪力墻結構的轉換層樓面；④錯層結構；⑤樓面的整體性較差。

4.2 多塔樓結構的計算分析

對于大底盤結構，如果把裙房部分按塔樓的形式切開計算，則下部裙房及基礎的計算誤差較大，且各塔樓之間相互影響無法考慮。因此應先進行整體計算，按《高層建筑混凝土結構技術規程》取夠振型數，并考慮塔樓之間的相互影響。計算時，假定樓板面內分塊無限剛。

4.3 帶轉換層、加強層以及連體的結構

對帶轉換層的結構、帶加強層的結構、連體結構，應選用合適的計算單元進行分析。在整體分析后，應對簡化處理過的轉換層、加強層及連接體進行更細致的應力分析。

4.4 關于結構底部的嵌固部位的確定

建筑物，尤其時高層建筑，在進行結構計算分析之前，必須首先確定結構嵌固端所在的位置。嵌固端的正確選取是高層建筑結構計算模型中的一個重要假定，它不僅關系到結構中某些構件內力分配的準確性，而且還影響到結構局部的經濟性。確定嵌固部位可通過剛度和承載力調整迫使塑性鉸在預期部位出現，但嵌固端的選取卻可能因為建筑物的各種不同情況：

（1）不設地下室但基礎埋深較大。

（2）有地下室，但地下室層數有多有少，而且基礎形式不同，產生不同的技術問題。

4.4.1 單層地下室

當高層建筑僅設一層地下室時，其嵌固端位置需視情況而定。首層樓面留有大洞，或選用無梁樓蓋結構時，一般取地下室底板為結構嵌固端；當地下室作為防空地下室的情況，因為防空地下室之頂板通常具有作為結構嵌固端的剛度，因此可取其頂板處為上部結構的嵌固端。

4.4.2 無地下室

高層建筑不設地下室通常是針對層數有限的小高層，或者其基礎持力層較淺的情況。從抗震角度考慮，不提倡不設地下室。無地下室的高層建筑，不管是采取天然地基基礎抑或采用樁基礎，如要以基礎（承臺）面為結構嵌固端，則必須在該標高處的縱橫方向設置剛度較大的基礎梁加以連結，首層計算層高應從基礎面算起；倘若基礎（承臺）面標高處無基礎梁連結或者所設的基礎梁剛度過弱，但地面標高處設有剛性地面，則此剛性地面可作為嵌固端，其首層計算層高可從地面算起。

4.4.3 多層地下室

帶多層地下室的建筑，宜將上部結構的嵌固端部位設在地下室頂板，此時應滿足下列條件：

（1）地下室頂板標高與室外地坪的高差不能太大，一般應小于地下一層層高的1/3；

（2）若由于地下室大部分頂板降板或地下一層為車庫（墻體少）等使用要求，不能滿足地下頂板作為結構嵌固部位的要求時，對于層數為三層或三層以上的地下室，可將結構嵌固部位置于地下1 層底板，此時除應滿足規范所要求的其他條件外（但部位相應由地下室頂板改為地下一層），還應滿足下列條件：①地下一層樓層剪切剛度應大于地上一層樓層剪切剛度；② 地下二層樓層剪切剛度應大于地下一層樓層剪切剛度，并應大于地上一層樓層剪切剛度的2.0 倍；

（3）地下室頂板結構應為梁板體系，且該層樓面不得留有大孔洞，樓面框架梁的抗彎剛度要足夠大；

（4）地下室柱截面每側截面的縱向鋼筋面積，除應滿足計算要求外，不應少于地上一層對應柱每側縱向鋼筋面積的1.1 倍；

（5）地下室結構應能承受上部結構屈服超強及地下室本身的地震作用，地下室的樓層剪切剛度不小于相鄰上部結構樓層剪切剛度的2 倍；

（6）計算多塔大底盤地下室樓層剪切剛度比時，大底盤地下室的整體剛度與所有塔樓的總體剛度比應滿足上述第4 款的要求，每棟塔樓范圍內（塔樓周邊向外擴出與地下室高度相等的水平長度）的地下室剪切剛度與相鄰上部塔樓的剪切剛度比不宜小于1.5。

5 結束語

高層建筑結構設計、計算是一項復雜的工作，它要結構設計人員既要有扎實的理論功底，又要有豐富的工程經驗，這樣設計出來的建筑物才能達到既安全、可靠，又經濟、合理。