高層建筑上部結構設計分析

鄒柯

國華工程科技（集團）有限責任公司 安徽 合肥 230041

引言

由于高層建筑越高，則該建筑的基礎必須要具備承受較大的荷載能力，在高層建筑上部結構設計中就需要考慮更加煩瑣、復雜的要素[1]。在高層建筑上部結構設計中，相關的設計人員必須要考慮高層建筑設計、建設的復雜性，不僅要考慮高層建筑的本身受力、荷載問題，還要對其周邊環境進行分析，只有這樣才能保證高層建筑的結構穩定性，才能更好地提升高層建筑的整體性能。

1 高層建筑結構體系的分類及特點簡介

1.1 框架—剪力墻體系

在高層建筑上部結構中框架—剪力墻體系在發生位移時，其位移曲線通常呈現彎剪型。通過在高層建筑上部結構設計中設置剪力墻，可以有效地增加上部結構的側向剛度，并有效地減小建筑物水平位移，顯著降低框架承受的水平剪力，并使得沿豎向的各層剪力逐漸趨向于均勻。

1.2 剪力墻體系

由于高層建筑上部結構的剪力墻體系其根本屬性為剛性結構，一旦發生位移則其位移曲線呈彎曲型[2]。由于剪力墻體系的強度和剛度相對較高，因此具有一定的延性，且其傳力更加均勻、直接，剪力墻體系的整體性較強，具有較強的抗倒塌性。因此，在高層建筑上部結構中可以根據設計、建設需求合理應用這一良好的結構體系。

1.3 筒體體系

在高層建筑上部結構設計中，由于筒體體系本身的剛度和強度較大，筒體體系間各個構件的受力相對比較合理，且具有較強的抗風能力與抗震能力。因此，在高層建筑中如果為大空間、超高層或者大跨度建筑，則筒體體系應用比較廣泛。

2 高層建筑上部結構設計的要點

2.1 結構體系的選用

在高層建筑上部結構選用結構體系時，必須要對當前的計算手段進行簡化，從而能準確、迅速地解決平面或空間計算簡圖問題；還需要確保傳力途徑的直接和合理，從而可以盡量避免不利抗震的間接傳力途徑[3]。在選用結構體系的時候，還要盡量使其具備足夠的側向剛度，具備較強的水平承載能力，從而能夠更好地承受建筑變形。

2.2 結構規則性的判斷

要求高層建筑的建筑平面的布置應當遵循簡單、規則、對稱、減少偏心的基本原則，如果高層建筑存在局部凹進或突出，則其尺寸必須要滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》中的第3.4.3條要求。在高層建筑上部結構設計中要盡可能地避免立面局部縮進不規則類型設計，如果高層建筑的上部結構立面尺寸收縮或外挑，則必須要符合《高層建筑混凝土結構技術規程》中的第3.5.5 條要求；要盡可能地避免高層建筑上部結構抗側力構件抗扭剛度太弱，減少高層建筑中墻、柱布置不對稱或質量分布不對稱地扭轉不規則類型；要盡可能地避免高層建筑上部結構中由于樓層剛度變化的側向剛度不規則類型，要使得樓層側向剛度發生變化的時候盡可能地滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》中第3.5.2條要求；要盡可能地避免樓板局部存在不連續不規則類型；一旦高層建筑的樓層承載力發生變化，則必須要滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》中的第3.5.3條要求。

2.3 結構軟件及設計參數的采用

為提升高層建筑上部結構的安全性、穩定性，滿足用戶的使用需求，在高層建筑上部結構設計中就需要根據建筑物抗震設防類別、設防烈度、結構體系、高度、場地類別，從而確定該高層建筑的抗震等級[4]。需要根據《高層建筑混凝土結構技術規程》中的第4.3條考慮地震作用；還需要根據高層建筑的上部結構實際情況來確定該上部結構的分析模型，并選取合理的結構軟件。體型復雜、結構布置復雜以及B級高度高層建筑結構，必須要應用不少于兩個不同的力學模型結構分析軟件來進行整體計算。由于結構基本周期通常是高層建筑上部結構中計算風荷載的重要指標，在計算過程中必須要保留軟件的缺省值，并從計算結果中讀取出缺省計算值。在軟件中填入“結構基本周期”選項后，則需要重新計算缺省值。在確定，結構計算振型數后，則需要通過觀察計算結果中的有效質量系數（規范稱為參與質量）是否超過0.9來判斷振型數是否足夠。需要注意的是，振型數要盡可能不高于結構總自由度數，不超過高層建筑上部結構層數的3倍。如果結構軟件計算出的最大地震作用方向絕對值＞15°，則必須要將數值回填到軟件的“水平力與整體坐標夾角”選項，然后重新計算最大地震作用方向絕對值，從而獲得最不利地震作用方向的效應值。

2.4 電算結果的合理性判斷

高層建筑上部結構的剛度比與層間受剪承載力之比，作為高層建筑上部結構的豎向不規則的重要指標，必須要充分滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》中的第3.5.2條與3.5.3條要求。在高層建筑上部結構中，通過剪重比調整，能夠解決振型分解反應譜法對長周期結構的地震效應計算取值偏低的問題，從而精準計算，并根據高層建筑的安全性需求，來確定高層建筑的樓層水平地震力的最小值；由于剛重比是控制高層建筑上部結構穩定性的重要因素，具體表現為結構側向剛度與重力荷載之比，如果該高層建筑上部結構的剛重比值不能滿足要求，則很有可能會引起結構失穩倒塌。

3 高層建筑的上部結構設計中出現的問題以及優化思路

第一，要求框架構造、剪力墻布置必須要均勻，盡可能地避免出現大單肢剛度剪力墻設計，從而避免應力過于集中的問題，不會對整個高層建筑上部結構造成嚴重影響。

第二，由于框剪構造連梁設計在高層建筑上部構造設計中極其關鍵，需要盡量將框剪構造連梁設計做到最佳。但是，根據當前高層建筑上部結構設計、建造具體情況來看，在實際的高層建筑上部結構設計中，有部分設計人員不重視框剪構造連梁設計。需要相關的設計人員明確框剪構造連梁設計的具體概念，了解到框剪構造連梁設計其實就是要使兩片剪力墻之間連接，一旦該高層建筑遭遇中震、地震，則該框剪構造連梁涉及的剪力墻會先裂開，達到耗能的目的，從而使得整個高層建筑的延性在一定程度上保持不變。根據高層建筑上部結構框剪構造連梁設計的特點，就必須要做好以下幾點：首先，不能盲目增大抗彎能力，否則會導致框剪構造連梁延遲被破壞，則無法實現其及時耗能的作用，進入導致高層建筑上部結構的其他關鍵構件破壞，讓結構丟失延性。其次，需要根據結構規范標準中的相關要求，不得在連梁上搭設框架梁。一旦高層建筑上部結構遭遇大震或者中震，則該結構會率先開裂，框剪構造連梁的抗剪水平短時間內急劇下降，如果該框剪構造連梁設計仍舊承擔較大的豎向荷載，則會產生連鎖破壞的效果。

在高層建筑的強節點、強剪弱彎以及強柱弱梁的設計要嚴格遵循鋼筋混凝土構造延性設計基本原則。在高層建筑的上部結構采取現澆板技術澆筑的時候，設計人員在結構計算分析過程中必須充分考慮現澆板的作用，從而使梁的剛度增加。如果在梁設計配筋過程中不能充分考慮鋼筋作用，人為增加梁配筋，則會出現破壞“強柱弱梁”形態的問題。基于此，就要求在高層建筑的強節點、強剪弱彎以及強柱弱梁設計不可盲目增加框架梁上部鋼筋，要適當增加柱子配筋。

第四，在于懸挑挑尖端部位置，則要求必須要設立構造柱，確保高層建筑的每層挑梁之間互相聯系，根據高層建筑的斜拉構件具體要求，還需要對構造柱進行設計[5]。通過加強構造柱設計，可以將構造柱作為依靠，做好挑梁的變形協調工作，即使高層建筑的局部出現超載問題，也可以將力轉移到其余層上，共同承擔該局部超載，在一定程度上可以起到提升高層建筑結構安全性的作用。通過在懸挑尖端部位設立構造柱，能夠加強對于外圍護墻的制約效果，從而有效地避免墻體外閃現象。

4 實例分析

4.1 工程概況

本次工程位于安徽省蚌埠市，該高層建筑由地下一層，地上兩棟獨立的塔樓構成。該高層建筑的樓為87.15m，共計28層，其抗震設防烈度標準為7度抗震設防烈度標準，基本地震加速度值設計為0.10g，設計地震分組為第一組，其具體的設計特征周期值為0.35s，水平地震影響系數的最大值為0.08，其場地類別為Ⅱ類場地。其抗震設防類別為A級高度標準設防類（丙類）。整個高層建筑的結構設計使用年限是50年，建筑結構安全等級確認為二級，根據建筑的地面粗糙度評定標準，建筑的地面粗糙度為B類，承載力設計時，基本風壓按50年一遇的1.1倍取值。因為該高層建筑的地上建筑結構是各塔樓獨立分開，因此二者之間可以根據自身的地下室進行嵌固端計算，二者之間互相不會產生影響。在本次實際案例分析中將1#樓作為實例分析。

4.2 上部結構體系選擇

由于本次實例分析的高層建筑高度為80m＜高層建筑高度＜150m，其中地下室設計作為車庫使用，一層、二層設計作為商場，三層、四層設計為辦公室，四層以上樓層皆設計為住宅。在對整個建筑上部結構、建筑功能進行綜合考量后，上部結構體系選擇使用剪力墻結構體系，在布置剪力墻的時候要遵循對稱、均勻、分散的基本原則，在滿足建筑施工安全的基礎上要盡可能地考慮其經濟性。

4.3 規則性分析

對該高層建筑進行規則性分析，其主體平面為凸形，其中突出的部分為1/Bmax=3.70/14.8=0.25＜0.35，整個高層建筑為規則性分析結果為高層建筑屬平面規則類型。使用計算模型與公式進行計算，該高層建筑的結構在樓層第3層位移比達到1.31，位移比＜1.5。通過與高層建筑的建設范圍、建筑專業之間的互相協商，雖然該高層建筑的平面呈現不規則特點，但是該高層建筑符合規范強制性條文的具體要求。

4.4 結構計算軟件

相關的工作人員嚴格遵守相關的規范要求來對高層建筑的結構各構件進行最小地震剪力內力調整，強柱弱梁與強剪弱彎等調整之后做承載力計算，并確定最不利工況下的計算結果，并在計算結果內反映高層建筑施工是否存在超筋問題。如果結構計算軟件計算結果為不超筋，則需要相關的設計人員綜合考慮是否要做好構件截面變化對結構的剛度、周期、位移、地震剪力等一系列參數的影響的構件的優化工作。

4.5 計算整體參數

在計算整體參數的過程中，需要全面考慮偶然偏心下的單向地震作用、雙向地震作用等要素，確保高層建筑安全與使用壽命。由于該高層建筑的高度為80m＜高層建筑高度＜150m，在計算整體參數時，無須分析彈性動力時程。需要對活荷載不利布置影響因素進行考量，將其周期折減系數確定為0.8，要求結構的阻尼比盡量為5%。為確保計算整體參數準確，可以使用39個振型數計算。

5 結束語

綜上所述，在當前的高層建筑建設、使用過程中，高層建筑的優勢愈發明顯。但是高層建筑使用過程中，會出現不均勻裂縫、沉降等多種問題，不僅會大大削弱高層建筑的實用性，還會使得高層建筑潛藏一定的安全風險，威脅人們的生命財產安全。基于此，就要求高層建筑設計人員能夠對高層建筑上部結構設計進行持續的研究、優化與完善，盡可能地改善高層建筑上部結構設計中的問題，并通過應用科學的建筑設計方案、施工技術以及實施設備來提升高層建筑的整體性能，從而推動我國建筑行業的持續發展。