淺析高層建筑結構的設計要點

盧國華

(江西省建筑材料工業科學研究設計院,江西 南昌 330001)

1 前 言

目前,我國國內高層建筑常用的結構體系有：框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構和筒體結構等。高層建筑受到較大的側向力(水平風力或水平地震力),在建筑結構底部豎向軸力也很大。在高層建筑中,可以認為柱的軸向力與層數為線性關系,水平力近似為倒三角形分布,在水平力作用下,結構底部彎矩與高度平方成正比,頂點側移與高度四次方成正比。上述彎矩和側移值,往往成為控制因素。此外,高層建筑各構件受力復雜,對截面承載力和配筋要求較高。

2 設計要點

2.1 高層建筑基礎設計要點

建筑基礎是上部結構賴以生存的關鍵,更是整個結構設計中的重中之重,相較于多層建筑結構,高層建筑結構的基礎除了應能夠承載上部結構傳來的豎向力外,尚應能夠承擔水平作用產生的傾覆力矩。在基礎設計環節上,埋深是一重要方面,國家規范《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)對基礎埋深有非常嚴格的強制性規定；另一個方面就是地基土以及基坑回填土對基礎的約束作用,這個在規范上也有強制性的規定,因為在計算中,當我們把嵌固端取在基礎頂面時,前提是假設基礎頂面的位移為零,如果達不到這個假設條件,上部計算結果就可能會存在較大的問題,因此,在進行建筑結構設計時,一定要特別提出基坑回填的要求,以滿足對基礎的約束要求。

2.2 高層建筑上部結構設計要點

2.2.1在進行高層建筑立面、豎向剖面以及抗側力結構的平面布置時,應盡量規則、對稱；結構側向剛度也應盡量均勻變化,抗側力結構的側向剛度和承載力不應突變。結構平面布置應有利于抵抗水平力及豎向荷載,盡量減少扭轉的影響。在地震作用下,高層建筑平面應保持一定的規則性。在高層建筑的一個獨立結構單元內,宜使結構平面形狀簡單、規則,剛度和承載力分布均勻。鋼筋混凝土高層建筑、混合結構高層建筑,其平面布置應簡單、規則,減少偏心。

2.2.2我國結構規范用于控制高層建筑結構設計的指標主要有：建筑周期比；位移比；剛度比；層間受剪承載力之比；剪重比；剛重比以及軸壓比等。(1)周期比：周期比是指結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期的比值?？刂平ㄖ芷诒仁菫榱耸菇Y構的抗側力構件的建筑結構平面布置更趨于理想,使結構不發生過大的扭轉影響；(2)位移比：位移比是用來控制建筑結構平面規則性的關鍵指標,指的是結構樓層豎向構件最大水平位移和層間位移與本樓層平均位移值的比值。位移比也反應結構是否規則、對稱；建筑結構平面內剛度分布是否均勻；可以用結構剛心與質心的相對位置表示,因為建筑剛心與質心位置都無法直接測量,規范則采用了校核結構位移比的方法；(3)剛度比：剛度比是控制建筑結構豎向規則性的關鍵指標,反應了結構整體的豎向勻稱性。樓層側向剛度可取該樓層剪力和該樓層層間位移的比值。在分析樓層是否屬于薄弱層、地下室是否可作為嵌固端等均用層剛度比作為依據；(4)層間受剪承載力之比：層間受剪承載力之比是用來反應建筑結構豎向規則性的重要數據。層間受剪承載力是指在所考慮的水平地震作用方向上,該層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和；(5)剪重比：剪重比是判斷地震作用的指標,是對應于水平地震作用標準值的剪力與重力荷載代表值的比值。因為在長周期作用下,地震影響系數下降迅速。對于長周期結構,地震地面運動速度和位移可能對結構的破壞具有更大的破壞作用,但采用振型分解法時無法對此做出較準確的計算。鑒于安全方面的分析,相關規范規定了最小剪重比；(6)軸壓比：建筑結構軸壓比用于控制結構框架柱截面延性性能,指地震組合軸壓力設計值與柱全截面面積和混凝土軸心抗壓強度設計值乘積的比值?？刂戚S壓比限值是為了使框架柱截面達到延性破壞狀態,防止小偏心受壓狀態的脆性破壞,實現“大震不倒”的設計要求。

3 結 語

高層建筑結構選型包含豎向承重結構選型、水平承重結構選型以及下部結構選型；結構布置包括結構平面布置、結構豎向布置及變形縫設置。高層建筑結構設計應從結構概念設計著手,結構平面、立面布置應盡量規則,并應優先選用抗震和抗風性能好的結構體系。