高層建筑結構選型的設計原則及特點

文/徐芬 武漢市正華建筑設計有限公司 湖北武漢 443000

近些年，為了緩解土地緊張的問題，大量高層建筑不斷涌現，因此，對于高層建筑的結構選型設計成為建筑設計中的重要內容。另一方面，為了提高建筑結構的穩定性，必須科學選擇設計方案，保障高層建筑產業的可持續發展。

1、高層建筑結構設計原則及特點

1.1 結構平面布置

結構平面布置應該以簡單、規則、對稱為主要原則，盡可能使質心和鋼心重合。如果結構偏心較大，那么相應的扭轉效應也大，造成端部構件位移增加，導致應力集中，因此，結構布局中平面突出部分不宜過長。在結構計算中，判斷扭轉是否過大，可以使用概念設計方法近似計算鋼心、質心及偏心距，然后根據計算結果進行判斷。另外，也可以計算結構最遠邊緣處的最大層間變形和質心處的層間變形，如果兩者比值大于1.2，則扭轉太大而結構不規則，應該對平面布置進行優化。最后，高層建筑應該避免使用嚴重不規則的結構布置，如果使用功能與建筑的要求、結構平面布置嚴重不規則時，應該將平面分割成若干個簡單、規則的獨立單元。

1.2 結構立體布置

同樣的原則，結構立體布置應該規則、均勻。規則主要是要確保體型規則，如果出現變化，也應該是有規則的漸變。如果在豎向上發生劇變，那么在地震發生時很容易出現變形集中，引起某一樓層的倒塌；均勻是指上下體型、剛度、承載力及質量分布均勻或者變化均勻。在豎向結構中，剛度應該遵循下大上小的原則，自下而上逐漸減小。如果設計中下層剛度小，那么變形將會集中在下部，形成薄弱層，一旦出現突發的外力作用，比如地震，就會造成高層建筑的整體坍塌。同樣的，在體型尺寸上，也應遵循下大上小、逐漸變化的原則，不能出現體型的突變。上不樓層收進使得體型較小的情況經常發生，但是對于收進的尺寸應當限制。收進的部位越高，收進后的平面尺寸越小，高振型的影響明顯加大。如果上部樓層外挑，那么就會出現“頭重腳輕”的情況，就會增大扭轉反映，大大增加豎向地震影響。

2、某高層建筑結構選型的設計

本項目總建筑面積約15萬m2，主要建筑功能主體為辦公樓，裙房為商業。其中地上部分30層，設4層裙房，結構高度22. 8m；塔樓結構高度150m。地上部分總建筑面積約10萬m2。地下部分設4層地下室，地下總建筑面積約4萬m2。

本工程塔樓的主要設計條件如下：抗震設防烈度7度（0.10g）。設計地震分組第二組；建筑場地類別W類；場地土特征周期Tg=0.75s；標準設防類（丙類）。基本風壓0.55N/m2（50年）；地面粗糙度類別為C類。結合相關地質條件，本工程塔樓的基礎形式選用鉆孔灌注樁基礎。

2.1 框架核心筒結構體系

本工程是對應高度范圍100～200m的常規超高層建筑，結合建筑專業常用的集中式交通核布置模式，充分考慮結構抗側剛度需求和結構成本控制需求，結構形式采用框架核心筒結構體系。核心筒部分作為抗側力的首道防線，是承擔水平荷載（地震荷載、風荷載）的主要部分；框架部分作為抗側力的二道防線，主要承擔豎向荷載，外框和內筒協同承載。概念設計及結構計算分析表明，該體系在充分滿足建筑使用功能的前提下，具有較好的結構安全性和結構經濟性。

2.2 鋼筋混凝土結構體系

關于塔樓選用鋼筋混凝土結構體系或是混合結構體系，相關比選如下：a）7度區A級高度鋼筋混凝土框架孩心筒高層建筑的最大適用高度為130m}塔樓主體結構高度150m，超高15.4%。b）本工程抗震設防相關參數按照規范7度（0. 10g）選用，抗震等級按照規范7度選取，結構整體計算烈度和抗震措施水準中等。c）本工程基本風壓0.55kN/m2，場地粗糙度類別C類，風荷載水準中等，經結構計算表明，風荷載不構成控制工況。d）依據既往類似工程案例的比選分析表明，相似高度、相似地震荷載和抗震措施情況下，采用鋼筋混凝土結構體系可以相對節約整體結構造價；采用混合結構雖然可以獲得較快的施工進度和較低的結構自重，但整體結構造價相對偏高。

結合上述基本情況，綜合考慮結構合理性和結構經濟性，本工程選用鋼筋混凝土結構體系。

2.3 豎向構件鋼骨設置條件分析

a）主體結構考慮雙向地震作用的中震不屈服擬彈性計算結果表明，嵌固端框架柱底未出現拉應力，剪力墻底部墻肢拉應力未超過ftk（底部剪力墻混凝土抗拉強度標準值），故豎向構件不再設置構造型鋼。

b）本工程大部分框架柱軸壓比控制方法包括：配合建筑平面調整柱截面尺寸（加大直徑）；采用直徑不小于12mm，箍筋間距不大于100mm的井字復合箍；個別豎向構件底部樓層設置芯柱。通過采用上述措施，框架柱最大軸壓比可以滿足規范相關要求，故本工程大部分框架柱在滿足建筑截面要求的前提下無需設置抗壓鋼骨。

綜上，本工程剪力墻和大部分框架柱（抗拉和抗壓兩方面）直接采用鋼筋混凝土可滿足驗算和規范相關要求，故不再選用相關鋼骨設置方案。

結語：

隨著城市的發展，土地資源逐漸稀缺，為了緩解用地緊張的局面，高層建筑逐漸廣泛起來，成為全球發展趨勢。面對這樣的機遇，必須加強高層建筑的設計重心，重視高層建筑的結構選型，從以人為本的理念出發，分析最佳結構體系，確保結構的安全性、合理性、經濟性，促進高層建筑的健康發展。