高層混凝土框架結構設計方法研究

摘? 要：對于高層及超高層建筑來說，由于其特殊的抗震及抗風要求，較多采用框剪結構、剪力墻結構、筒體結構等體系。部分高層建筑受到使用功能限制，而采用混凝土框架結構。由于框架結構抗側力較弱，結構抗震性能單一，對結構設計提出了更高要求。本文針對高層混凝土框架結構設計要點進行分析和總結，希望對高層混凝土框架結構的設計起到一定的參考作用。

關鍵詞：高層建筑;鋼筋混凝土;框架結構;抗震設計

中圖分類號：TU375.05? ? ?文獻標識碼：A? 文章編號：2096-6903（2020）11-0000-00

0引言

建筑物自古以來都是人類賴以生存和發展的重要場所，人類社會的不斷進步和取得的豐碩成果離不開建筑物。建筑結構要做到安全、適用、經濟等原則，保證建筑的安全性始終放在首要位置。為了滿足社會經濟發展和人類日益增長的物質文化需要，人類對于建筑的安全性也提出了越來越高的要求。

1高層框架結構設計概述

影響高層建筑結構設計的因素很多，除建筑自身布置的影響外，地震和風荷載對高層建筑影響較大。我國是地震多發的國家，在一些地區和重要城市，地震設防烈度較高;在沿海地區平均風壓較大，對結構的安全性都提出更高的要求。

1.1設計目標

高層混凝土框架結構的設計應達到：“小震不壞”“中震可修”“大震不倒”的抗震設防目標[1]。通過對建筑結構的計算分析和優化設計，用經濟的手段和措施達到預期的各項要求。

1.2水平與豎向設計

計算時通常把各層簡化成單質點體系，水平力按照框架柱的側向剛度進行分配，可計算出各樓層構件內力、各樓層側向位移等。豎向力主要包括使用荷載和自重荷載。各樓層豎向荷載通過平面結構轉遞給結構柱。通過對樓層荷載組合、分配，可以計算各結構構件尺寸、受力及配筋。

1.3節點設計

框架結構抗側向水平力主要依靠梁、柱節點相互作用來實現，單獨依靠框架柱抗側向水平力、控制側向位移是不合理的。所以做好框架結構的梁、柱節點設計，對框架結構安全性起至關重要的作用。當結構中存在轉換等特殊構件時，應對相關構件及部位進行補充計算，避免局部構件失穩。

2設計要點及方法

高層混凝土框架結構設計難點在于柱及結構平面合理布置[2]。以結構通用計算軟件盈建科為例，按照規范要求，在結構設計時控制的目標參數主要有如下七個：

2.1軸壓比

軸壓比是柱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之比。抗震等級越高的建筑結構延性要求越高，軸壓比限制也越嚴格。試驗證明，混凝土強度等級，箍筋配置的形式與數量，均與柱的軸壓比有密切的關系。調整軸壓比的方法可采用增大柱截面、提高柱混凝土強度等級、采用螺旋箍筋、配置芯柱等。

2.2剪重比

剪重比為各樓層最小地震剪力，出于對結構安全的考慮，尤其對于基本周期大于3.5秒及存在薄弱層的結構，規范引入樓層最小地震剪力的要求。若計算地震剪力小于規定值，則需要按最小地震剪力完成計算。

2.3剛度比

剛度比是結構豎向不同樓層的側向剛度的比值，該值為了控制高層結構的豎向規則性，避免豎向剛度突變，形成薄弱層。對于轉換層結構剛度能否滿足要求、地下室頂板能否作為嵌固端及薄弱層判斷，均以剛度比作為判斷依據。

結構類型不同時，計算所采用的結構剛度不同。對于多層建筑、底部為一層大空間結構及磚混結構應采用“剪切剛度”（Ki=GiAi/hi）;對于底部為多層大空間結構或有支撐鋼結構應采用“剪彎剛度”（Ki=Vi/Δi）;而對于常規結構來說，可采用“地震剪力與地震層間位移的比值”（Ki=Qi/Δui）的方法[3]。

2.4 位移比

位移比即樓層豎向構件的最大水平位移與平均水平位移的比值。層間位移角為柱層間位移與層高的比值。為保證高層框架結構具有一定的剛度。

位移比受結構平面規則程度、結構層高等因素影響。當位移較大時，可適當改變結構平面布置，減小結構剛心與形心的偏心距;也可對較大位移構件剛度進行加強;或對較小位移構件剛度進行削弱，使位移比滿足規范要求。

2.5 周期比

周期比主要為控制結構扭轉效應，減小扭轉對結構產生的不利影響。周期比不滿足要求，說明結構的扭轉剛度相對于側移剛度較小，結構扭轉效應過大。

周期比的調整可通過改變結構布置，提高結構的扭轉剛度;一般的調整原則是加強結構外圍框架梁、框架柱或斜撐的剛度，適當削弱中間框架的剛度。當第一振型為扭轉時，說明結構的扭轉剛度小于平動側移剛度，應平動主軸適當加強結構外圍的剛度，適當削弱結構內平動剛度。

2.6 剛重比

剛重比為結構側向剛度與重力荷載設計值之比。是影響重力二階效應的主要參數，重力二階效應隨著結構剛重比的降低呈雙曲線關系增加。高層框架結構在水平荷載作用下，若重力二階效應過大時可能會引起結構的失穩。

剛重比不滿足規范要求時，表明結構剛度相較于重力荷載過小，而剛重比過大時結構經濟、技術指標較差，可適當減小框架柱的截面尺寸。

2.7 層間受剪承載力比

該比值是為了控制結構豎向不規則性，避免豎向樓層受剪承載力產生突變，而形成薄弱層。層間受剪承載力比不滿足規范要求時，可適當提高相應樓層或降低上部相關樓層框架柱的構件強度來解決。對于形成的薄弱層應按規范要求采取加強措施。

3設計時應注意的問題

（1）高層框架結構設計時，應盡量使各層剛度相近，避免形成薄弱層。結構布置方案盡量避免采用轉換結構、平面不宜采用高位收進、中間樓層不宜進行抽柱設計。對于一般的高層框架結構，應對層高較高的嵌固層及相關樓層進行剛度和水平承載力進行加強。

（2）結構平面布置應盡量規則對稱、樓面荷載應盡量做到均勻分布、避免局部樓層荷載過度集中、樓面開洞及凸凹尺寸盡量小于30%，以減小高層框架結構產生顯著的扭轉效應。

（3）高層框架結構側向位移較大，防震縫、沉降縫和伸縮縫的設置寬度不宜過小，防止結構在強震作用下發生嚴重的碰撞破壞。另外，高、低層框架結構連接構造應合理。

（4）鋼筋混凝土結構樓梯的剛度較大，高層框架結構設計過程中，應合理考慮樓梯剛度對主體結構的影響。當樓梯對主體結構產生剛度不均、扭轉效應等不利影響時，應將樓梯板按照滑動支座設計;當樓梯對主體結構的規則性有利時，可適當考慮樓梯的側向剛度，將樓梯板按固結支座設計，在結構整體計算時應予以考慮。

（5）當高層框架結構有突出屋頂的小出屋面時，在結構高陣型的影響下，小屋面結構會產生鞭梢效應[4]，在強震作用下容易發生嚴重震害。在設計過程中，應對屋頂小出屋面進行地震力放大，確保屋面及相關部位結構安全。

（6）高層框架結構基礎較多采用天然基礎和樁基礎。當采用天然基礎時，基礎埋深[5]不宜小于房屋高度的1/15;當采用樁基礎時，基礎埋深不宜小于房屋高度的1/18;且高層建筑基礎底面不宜出現零應力區。當基礎不滿足埋深等要求時，應對基礎結構進行抗傾覆和抗滑移驗算。同時應在荷載和沉降較大處底層框架柱上設置沉降觀測點，做好高層框架結構的沉降觀測。

4結語

高層框架結構抗震設防單一，在結構設計時應設置多道抗震防線，構件應按照超靜定體系設計;優化結構布置，避免出現超限項，使結構具備一定的安全儲備和良好的抗震性能;注重結構概念設計，合理采用抗震構造措施。從而實現高層框架結構“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防目標，最大限度的保證生命和財產安全。

參考文獻

[1] 李伯順.鋼筋混凝土結構抗震設防目標與性能評估[J].門窗，2018（11）：195.

[2] 魏璉.王森.中國建筑結構抗震設計方法發展及若干問題分析[J].建筑結構，2017（1）：3-9.

[3] 許崇偉.黃勤勇.層高突變對高層建筑樓層剛度的影響及其對策[J].建筑科學，2006（4）：16-17.

[4] 雷雨潤.高層建筑結構中抗震概念設計的應用[J].建設科技，2017（8）：80

[5] 戚明軍.石濤.雷珂娜.高層建筑基礎埋深對復合地基穩定性的影響研究[J].地震工程學報，2014（4）：975.

收稿日期：2020-10-08

作者簡介：孫開天（1987—），男，浙江杭州人，碩士，工程師，研究方向：結構工程。