高層建筑結構設計的要點探析

文/李航 保利置業（上海）投資有限公司 上海 200438

對于高層建筑而言結構設計是一個重點，也是難點所在。高層建筑想要確保整個建筑的安全性與經濟性，結構設計必須安全而合理，并且讓許多技術難點都得以很好的解決。

1、項目概況

平涼街道22街坊商辦項目位于上海市楊浦區，總建筑面積約21萬㎡，其中地上約13.5萬㎡，地下約7.5萬㎡。含A樓、B樓、C樓和J樓4幢高層建筑以及D樓、E樓、F樓、G樓、H樓和P樓共6幢多層建筑。其中A樓和B樓地上23層，高度約99米，主要功能為辦公樓。C樓地上10層，高度約45米，主要功能為辦公樓。J樓地上16層，高度約71米，主要功能為辦公樓。A樓、B樓、C樓和J樓為4幢超限高層，按規定需進行結構抗震設防專項論證。

本項目針對抗震超限的結構設計

本工程高層存在的超限和不規則的情況體現在以下方面：

1.1 扭轉不規則和偏心布置。本工程由于建筑功能和造型的要求，因剪力墻布置并非對稱布置等原因，計算結果表明部分樓層在考慮偶然偏心地震作用下的扭轉位移比大于1.2（但均小于1.4），屬于扭轉不規則。由于平面不規則，抗側力構件不均勻，部分樓層剛心與質心的偏心率大于0.15，屬于偏心布置。這兩項不規則不重復計算，僅計一條。

1.2 樓板不連續。建筑二層樓板大開洞，樓板有效寬度小于50%，開洞面積接近30%，并且存在局部樓板有效寬度小于該層樓板典型寬度的40%的情況，屬于樓板不連續。

針對本工程的幾點超限項目，結構設計時采取了有針對性的措施。

（1）本工程由于建筑功能和造型的等原因，部分樓層在考慮偶然偏心地震作用下的計算扭轉位移比大于1.2。結構設計時通過結構柱墻的合理布置，尤其是加強邊框柱和邊框梁，使各樓層的最大位移比大部分小于1.2，僅在少數樓層大于1.2，且均小于1.4。

（2）本工程2層大堂樓板開洞較大，導致局部樓板有效寬度小于40%。在結構設計時，對開洞處的樓板進行加強，板厚增加為150mm，同時對其上一層（3層）的樓板也進行了加強，板厚為150mm，且配筋均采用雙層雙向并適當加大配筋。設防目標為小震下樓板不開裂，中震下大部分樓板不開裂，洞邊應力較大的樓板雖開裂但板筋不屈服。個別穿層柱箍筋全長加密，抗震等級提高一級。

此外，結構設計時還采取了以下有利于提高結構抗震性能的措施：

1）采用輕質高效的結構材料，改善結構的抗震性能。主樓底部柱、墻中的混凝土強度等級采用C50～C60，有利于降低軸壓比。此外，還在A樓和B樓底部部分樓層的框架柱內設置了型鋼，提高了整體結構的抗震性能。鋼筋采用HRB400鋼（fy=360N/mm2）高強度鋼筋，降低結構配筋量。墻體材料采用砂加氣混凝土砌塊及輕鋼龍骨石膏板等輕質墻體。

2）提高抗震等級。本工程2層大堂開洞處的穿層柱抗震等級提高為一級框架。

3）在施工圖設計時，混凝土剪力墻將在各樓層標高處設置暗梁，以增加剪力墻的整體性和抗側剛度。

4）在施工圖設計時將按規范采取較為嚴格的構造措施，包括嚴格控制柱墻軸壓比、保證構件配箍率、保證樓板厚度和配筋率等。

2、C塔樓結構選型

C塔樓采用樁+筏板式基礎。考慮到成樁可行性、單樁承載力、沉降變形、工程造價以及方便布樁等因素，經分析比較，采用直徑700mm的泥漿護壁鉆孔灌注樁，樁長42m，以⑦2層灰黃～灰色粉砂為持力層，同時進行樁端后注漿，以提高單樁承載力并減小絕對沉降量，單樁豎向承壓承載力的特征值為4100kN，計算結果顯示最大沉降量6.5cm，滿足了規范要求。塔樓C基礎示意圖見圖1。

圖1 塔樓 C 基礎示意圖

3、結構體系

塔樓C的結構高度96.5m，共22層（不含屋面機房層），結構高度96.5m，采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構。核心筒位于塔樓平面的中部，墻體布置基本對稱；在17層樓面以上，核心筒南側因電梯井道取消而內收約3m，除兩處小片剪力墻不能伸至屋面，其余核心筒墻體和框架柱均上下連續。結構系統的側向設計主要受控于地震效應的作用，核心筒作為結構的第1道防線承擔了大部分的水平地震作用和風荷載，外圍框架組成結構的第2道防線，并按相應比例承擔其余的水平地震作用和風荷載。

4、高層建筑結構設計的要點

高層建筑結構設計的主要目標在于安全目的、適用目的、耐久能力、經濟水平和施工可行性等方面適合高層建筑規劃的要求和人們對高層建筑的需要。因此，在高層建筑結構設計過程中要根據相關的標準和規定，對高層建筑結構的布局、經濟性、構造特點等關鍵環節進行控制，探尋出進行高層建筑結構設計的相關要點，當前應該做好的高層建筑結構設計要點有如下幾點：

4.1 合理選擇結構體系

一般而言，純框架結構體系抗震性能稍差，框架-剪力墻結構體系抗震較好。而剪力墻結構體系與筒體結構具有良好整體性。抗震規范對于各種結構體系的適用高度均有詳細規定。

4.2 多道抗震防線的設置

在設計與構造上設置多道抗震防線。如框架結構首先是框架梁屈服，最后底層框架柱的下端屈服破壞。而框架-剪力墻結構中第一道防線是連梁，在地震作用下產生塑性鉸，而后是剪力墻與框架，充分利用連梁的屈服耗能防止剪力墻底部發生屈服破壞。

在設計過程中，控制結構的屈服部位出現在最為理想的耗能部位，做到強柱弱梁，強節點弱構件。充分發揮出結構的抗震性能。

4.3 結構的承載力及剛度應均勻連續分布

結構的承載力及剛度應均勻連續分布，避免形成薄弱層及軟弱層。通常而言底層出現相對薄弱會比上部更加不利。目前大部分高層建筑底層通常是大堂空間，因為建筑及使用功能要求：層高高，大挑空導致的部分結構樓板缺失等因素都會導致底層結構相對薄弱，在設計過程中，應特別注意。

在高層建筑的頂部通常會設置突出的塔樓。由于高振型的作用及鞭梢效應，對塔樓的承載能力與延性有更高要求。可以考慮采用型鋼-混凝土結構或者鋼結構。

4.4 合理的設縫

對于平面及外形較為復雜的建筑，各結構單元之間可設縫徹底分開，也可以不設縫而加強連接。但對于高層建筑，應盡可能的不設置抗震縫。不設縫要考慮剛度突變、不均勻沉降帶來的影響。必須設縫時，縫的寬度除考慮結構在地震，風荷載作用下的側向位移外，還應考慮由于基礎轉動帶來的位移增大的影響。

4.5 必要的結構剛度

地震作用下的結構變形包括層間位移及頂點位移兩部分。層間位移主要影響結構的開裂，塑性鉸的發展以及非結構構件的破壞。頂點位移主要影響結構整體穩定性，抗震縫的寬度等。因為對于高層建筑而言，基礎的轉動會對頂點位移有較大影響，因此基礎結構必須有較大的整體剛度和抗轉動能力。

4.6 結構構件防止過早出現脆性破壞

在設計過程中應采取切實有效的措施防止構件過早出現剪切、錨固和受壓等脆性破壞。通常而言，應做到“強剪弱彎”。

構件的壓應力或剪應力過高都會降低延性，導致發生脆性破壞，因此要限制構件的壓應力及剪應力在較低的水平范圍內。約束混凝土可以使其開裂之后仍能保持一定的受壓受剪能力，因此在構件可能出現塑性鉸的區域內設置足夠的約束箍筋可以起到很好的作用。同時，對該區域的鋼筋錨固也應提高要求。

結語：

本文結合某高層商辦建筑結構設計實例，從該高層的主體結構抗震超限設計、地基基礎設計等方面進行論述，對重要構件的細部構造采取加強措施，同時通過提高底部加強區墻體的分布筋配率和約束邊緣構件的體積配箍率來滿足延性要求。同時結合該項目實例，總結了部分高層建筑結構設計的要點，為今后同類高層結構設計提供參考借鑒。