高層建筑結構概念設計概述

蔡宏紅

（江西 南昌 330000）

高層建筑結構概念設計概述

蔡宏紅

（江西 南昌 330000）

現代城市中高層建筑的數量不斷增加，這是城市化、商業化、工業化所產生的必然結果，高層建筑，由于水平荷載和地震作用成為其控制因素的特殊性，使得其在結構的設計方面不同于一般建筑結構設計，概念設計能力高低的重要性，就顯得格外突出。

高層結構設計；概念設計；應用分析

水平荷載和地震作用是高層建筑結構設計的控制因素，為了使其結構性能良好，以及控制其效應（內力和位移）在規范允許的范圍內，從概念設計入手，對高層建筑結構的設計進行探討，希望能夠以此為各位同仁提供一定的參考和幫助。

1 概念設計應用于高層建筑結構設計中的意義

目前階段，建筑物的地震破壞機理目前還不是十分清楚，結構抗震設計中尚存在許多不定因素，我們不能單純依靠數值計算追求結構的抗震能力，必須合理運用概念設計提高建筑的抗震性能，它和數值計算是具有同等重要地位的。概念設計依據歷次震害總結出的規律性，合理選擇建筑體型和結構體系，靈活運用設計思想，綜合解決結構設計的基本問題。

2 抗震概念設計的基本原則

2.1 結構體系的選擇

結構體系是指結構抵抗外部作用的構件的組成方式。

框架體系，在高度不大的高層建筑中是一種較好的體系，如果有變形性能良好的輕質隔斷及外墻材料時，可做到30層左右，目前國內以15～20層以下為宜。框架結構由于層間變形較大，在地震區，容易引起非結構構件的破壞。

剪力墻結構體系，當高寬比較大時，是受彎為主的懸臂墻，側向變形是彎曲性，經過合理的設計，可以成為抗震和承受水平荷載良好的延性結構。

框架—剪力墻結構體系，它是框架和剪力墻結合起來，取長補短，共同抵抗水平荷載。合理布置剪力墻，在不影響使用的前提下，又能滿足結構的受力要求。可以采用單片墻、或L、［、工字形等等，但應注意盡可能避免Z字形剪力墻的布置，使其抗震性能良好。

框筒和筒中筒結構無疑是一種抵抗較大水平力的有效結構體系，由于它需要密柱深梁，當采用鋼筋混凝土結構時，可能延性不好。如何保證并改善其抗震性能，是目前需要深入研究的課題。

2.2 結構的合理剛度

結構的合理剛度對于抗震性能是十分重要的，結構剛度的設計應滿足有效控制建筑結構變形，以及減小地震對建筑結構的不利影響兩方面的要求，以確保高層建筑的抗震性能。結構的抗側力剛度不宜過大，如果過大，基本自振周期就會較短，地震作用就會加大，結構承受的水平力、傾覆彎矩加大，地基基礎的負擔加大，結構的截面和相應的構造配筋增加較大，不經濟。此時，如果在單純靠加大截面尺寸增加結構剛度，同時配筋構造措施又沒跟上，就會造成結構隱患，多花了材料、成本，反而損壞了結構的延性和安全度。

2.3 建筑形狀的選擇

①建筑的平面布置應簡單規則。②建筑物豎向布置應均勻和連續。前面兩條在《建筑抗震設計規范》表3.4.3-1和表3.4.3-2均有體現，在設計中確保結構的簡單性主要是為了使高層建筑結構在地震作用時的傳力途徑直接有效，并且便于通過計算分析高層建筑抗震結構的薄弱部分，并及時對其進行加強設計，以此來實現對高層建筑結構抗震設計的優化與完善，提高建筑結構整體的抗震能力，提高高層建筑結構的安全性。③剛度中心和質量中心應一致。如果質心和剛心不重合，就會產生扭轉效應使遠離剛度中心的構件產生較大應力而破壞。④對于復雜體型的處理，通常兩種做法：①設縫，將建筑物劃分成規則的單元；②在對建筑物進行細致的抗震分析后，采取加強措施以提高結構的抗變形能力。

3 高層建筑結構設計中抗震概念設計的應用

3.1 合理選擇建筑場地和地基

通過以往地震危害情況的調查與分析，不難發現建筑結構破壞的程度與地形條件有著很大的聯系，一般建筑場地條件不利，地基不良容易影響建筑結構的抗震性能。在高層建筑結構設計過程中，應注意對場地、地基條件的考量，一般情況下，如場地表層覆蓋層厚度小，土質硬，則相對的其穩定性更加良好，能夠更好的保證地基的穩固，建筑完工后的抗震能力也更好；相反的土層越厚、土質越軟，則越容易加劇地震的破壞作用；因此，在實際的抗震概念設計中要盡可能選取土質堅硬的場地，如場地選擇無法滿足條件時，要采取有效的措施，對場地及地基進行改造處理，以達到建筑抗震的需求。

3.2 合理進行結構的選型和布置

在高層建筑結構抗震概念設計的過程中，還要注意結構選型與布置的合理性。①在結構選型的過程中，要綜合考慮多方面的因素，如建筑功能需求、要達到的防震等級、建筑結構高度、場地基礎條件、施工主要材料、施工實際條件與技術水平等，進行科學的分析與對比，合理進行選型。②在建筑結構布置方面應注意確保平面布置的對稱性以及豎向布置的均勻性，從而保障建筑物在地震作用下不會發生較大的結構扭曲變形，從而提高建筑結構的抗震能力。

3.3 確保結構的整體性

建筑物各個結構部分的協同作用是建筑物抗震能力發揮的關鍵，而這就要靠建筑結構的整體性予以保障。因此，在高層建筑結構的抗震概念設計中，應注意對結構整體性的把握，確保建筑結構在地震作用整體性不會喪失，保持建筑結構的整體穩定性與整體剛度，從而提高建筑物的整體抗震性能。在實際的建筑結構中，施工質量好的型鋼混凝土結構與現澆鋼筋混凝土結構都是能夠較好的保持整體性的抗震結構，其在高層建筑結構抗震設計中具有著良好的應用效果。

3.4 非結構部件的處理

非結構構件，一類例如圍護墻、內隔墻、框架填充墻等，在地震作用下，這些構件或多或少的參與了主體結構工作，改變了整個結構的強度、剛度和延性，直接影響了結構的抗震性能，因此，在構造上，加強填充墻和主體框架的聯系，使其成為主體抗震結構的一部分，是很有必要的，這個在新抗規第13章中有充分體現。另一類，如女兒墻、雨篷等不參與主體結構的工作，應增強其自身的與主體結構的可靠連接等等。

4 總結

先進的設計思想可以通過概念設計充分地展現[6]。一個結構工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體概念來設計結構的總體方案，并能有意識的利用總結構體系與各基本分體系之間的力學關系，而不僅僅是能精確的計算和分析一個給定的分體系或構件。客觀事實是，凡是概念設計做得好的結構工程師，其結構概念是隨年齡與實踐的增長而越來越豐富，設計成果也越來越創新、完美。在浩瀚的結構學科中，我為我曾經和正在進行的無為和慵懶而慚愧，但愿我的下一篇論文在時間的長河中能夠留下一絲痕跡。

[1]華穎.抗震概念設計在高層建筑結構設計中的應用[J].中華民居（下旬刊），2013（06）.

[2]吳敏，徐喜娟.淺析在建筑結構設計中概念設計的原則及應用[J].科技風，2013（04）.

[3]柳炳康，沈小璞，主編.工程結構抗震設計.武漢理工大學出版社，2012（5）.

[4]包世華，編著.新編高層建筑結構.中國水利水電出版社，2004（10）.

[5]傅學怡，著.使用高層建筑結構設計.中國水利水電出版社，2010（08）.

[6]林同炎，S.D.斯多臺斯伯利，著.結構概念和體系.中國建筑工業出版社，1999（02）.

TU973

A

1673-0038（2015）45-0110-02

收稿日期：2015-10-10

蔡宏紅（1980-），女，工程師，碩士，主要從事結構設計工作。