鋼筋混凝土高層建筑的結構設計與思考

侯 小 紅

(山西省建筑設計研究院，山西 太原　030013)

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鋼筋混凝土高層建筑的結構設計與思考

侯 小 紅

(山西省建筑設計研究院，山西 太原030013)

介紹了高層建筑結構方案的選擇原則，闡述了高層建筑超限判定及結構計算的方法，并從樓板應力集中、板裂縫、大跨度和長懸臂結構設計等方面，分析了高層建筑設計中常見的問題，以供參考。

高層建筑，結構設計，樓板，應力

0　引言

在社會發展的漫漫長河中，建筑技術的變革日新月異。而在各個不同的歷史時期，結構技術在建筑發展中的作用十分重要，影響了建筑發展的歷史文化價值。近些年來，隨著經濟發展和人們物質文化生活水平的不斷提高，現代建筑作為人們工作、生活的重要場所，不但要滿足實用性，更要具有地區性和多樣性的特征。這就對結構設計人員提出了更高的要求。同時，隨著高層建筑的日益增多，不規則平面、建筑特殊的立面造型以及大空間的使用要求，使得結構設計無論在抗震構件的布局、結構分析、節點構造方面都面臨著諸多挑戰和創新。而鋼筋混凝土高層建筑作為最常見的一種結構形式，如何在滿足安全適用、經濟合理的基本原則下優化計算，精益求精是一個值得探討和思考的話題。

1　結構方案的選擇

高層建筑結構的結構體系，應根據建筑的不同使用功能、房屋荷載、層數、高度、跨度，同時考慮建筑物所在地區的抗震設防烈度，建筑工程抗震設計的設防類別和相應的抗震設防標準確定。目前高層建筑的鋼筋混凝土結構常用的結構體系有框架、框架—剪力墻、剪力墻、框架—核心筒、底部帶有轉換的部分框支剪力墻結構等。根據建筑專業提供的設計方案與技術條件，在盡量滿足使用功能的前提下，與建筑和設備專業充分溝通，仔細推敲，合理布置抗側力構件，選擇適用的結構體系，使結構具有合理的剛度和承載能力，避免產生軟弱層或薄弱層。隨著高層建筑的不斷增多，概念設計在結構方案的選擇與確定中的作用越來越重要。這就要求結構工程師具有豐富的實踐經驗，掌握相應的法律法規、施工技術，收集分析資料，對建筑工程進行宏觀控制，在特定的建筑空間中，用整體的概念完成結構總體方案的設計。結構方案的選擇會直接影響到房屋的造價高低、施工的進展速度。

2　超限高層建筑界定

在高層建筑方案和初步設計階段，對超限類型的準確判別，是進行結構設計，確保結構安全的前提條件。所以在拿到建筑方案的第一步，應該仔細研究現行規范的適用范圍，針對不同方面對工程項目進行仔細核對，分析研究本結構工程是否為超限工程。結構工程設計中，這一步至關重要，否則不但會耽誤設計工期，還會對結構安全造成嚴重影響。

判斷超限高層建筑工程主要有以下幾個方面：

1)對于不同抗震設防烈度、不同結構類型和結構體系，規范規定了房屋的最大適用高度，超過此高度則屬超限。這一類超限判別時應注意，平面和豎向均不規則的，適用高度宜適當降低，同時應考慮房屋的抗震設防類別。

2)房屋高度在規范允許范圍之內，但建筑結構布置屬于特別不規則的高層建筑：

a.扭轉不規則或抗扭剛度弱。考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.4(扭轉偏大)或大于1.2(扭轉不規則)，扭轉周期比大于0.9(B級高度)或大于0.8(A級高度)。

b.平面不規則。平面凹凸尺寸與相應尺寸比值超限，細腰形或角部重疊形。

c.豎向不規則。豎向構件收進尺寸過大或外挑尺寸大于限值要求。

d.樓板不連續。樓板開洞面積過大，有效樓板寬度過小或樓板錯層大于梁高。

e.局部的穿層柱、斜柱、夾層，個別構件錯層或轉換。

3)特殊類型的高層建筑：

a.加層結構。加層部分的結構與原主體結構形式不同。

b.采用新型結構材料或新型抗震體系。

c.規范中未列入的其他高層建筑結構，特殊形式的大型公共建筑及懸挑結構，特大跨度的連體結構等。

3　結構計算及變形分析

在高層建筑的結構設計中，對于高度小于40 m，且質量、剛度沿高度分布比較均勻，以剪切變形為主的結構，可采用底部剪力法進行簡化計算。先確定結構總地震力，然后按照高度呈倒三角形分布特征進行各樓層分配，同時在頂部增加附加集中力，考慮頂部鞭梢效應。

隨著反應譜理論的不斷成熟，大多數建筑結構體系采用振型分解反應譜法進行計算。考慮不同振型在地震反應中的參與程度，先確定在各質點的水平地震作用標準值，再綜合計算整體水平地震作用效應；同時考慮扭轉耦聯影響，確定各振型在兩水平方向和轉角方向的地震作用標準值。

同時，對于特別不規則的建筑、甲類建筑和一些特殊高度的高層建筑，采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。根據時程分析和振型分解反應譜法的不同結果，對比分析后進行包絡設計。

結構抗震變形驗算分兩階段進行：第一階段是多遇地震下的承載力驗算，主體結構不受損，保證建筑物正常使用功能。此階段以彈性變形為主，保證結構及非結構構件不開裂或開裂不明顯；第二階段是罕遇地震作用下建筑主體結構遭遇破壞，但不倒塌。此階段以彈塑性變形為主，根據震害經驗和實驗分析提出了極限變形時的層間極限位移角，防止薄弱層彈塑性變形過大引起結構倒塌。

4　高層建筑設計中常見問題解析

4.1樓板應力集中問題

建筑結構中樓板作為水平抗側力體系，在承受和傳遞豎向力作用的同時，把水平力傳遞和分配給豎向抗側力構件，協調同一樓層中豎向構件的變形，使建筑物形成一個完整的抗側力體系。建筑平面布置中，由于存在凹凸布置，樓板尺寸和剛度的急劇變化都可能在角點局部位置及樓層凹角處產生應力集中。結構設計中應當提高此區域剛度，適當增加樓板厚度及配筋率，樓板配筋雙層雙向拉通布置。

4.2板裂縫及撓度問題

近年來高層建筑設計中，由于使用功能的要求，大跨度板越來越多。同時隨著地板采暖的不斷普及，上部荷載增加，對板裂縫和撓度要求日益提高。結構設計中，雖然現澆板承載力均能滿足要求，但是使用中大跨度板往往是由裂縫和撓度控制，所以，在設計中應注意對大跨度板的變形驗算。滿足強度計算的情況下盡量采用中低強度混凝土，在易裂的邊緣部位設置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限拉伸，同時在屋面板頂部增設溫度鋼筋。

4.3大跨度和長懸臂結構的設計

抗震設防烈度8度、9度時的大跨度和長懸臂結構應計算豎向地震作用。由于大跨度、長懸臂結構對豎向地震較為敏感，僅僅考慮水平地震作用存在一定的安全隱患。所以，在設計中應引起足夠的重視，盡量選用高強度混凝土，增大配筋率，嚴格控制構件裂縫和撓度。在滿足使用功能的前提下，可采用勁性混凝土和輕鋼結構，并加強周邊的連接構造，有效提高整體結構的承載力和延性。

5　結語

鋼筋混凝土高層建筑的結構設計是一項復雜、系統的工程。工程設計人員要嚴把規范、規程，并深刻理解，同時要靈活運用，善于創新，在工作中精益求精，不斷總結和反思，使建筑工程達到安全適用、經濟合理，實現房屋建筑工程的科學化發展。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[2]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3]建質[2015]67號，超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S].

Structural design and consideration of steel reinforced concrete high-rise building

Hou Xiaohong

(ShanxiAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030013,China)

The paper introduces high-rise building structure scheme selecting principles, describes high-rise building transfinite judgement and structural calculation methods, and analyzes common high-rise building design problems from aspects of floor stress concentration, slab cracks and large-span and long-cantilever structure design, with a view to provide some guidance.

high-rise building, structural design, floor, stress

1009-6825(2016)23-0036-02

2016-06-07

侯小紅(1973- ),男，碩士，高級工程師，國家一級注冊結構工程師

TU973

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