高层建筑结构设计问题探讨

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　　【摘要】高层建筑结构设计的过程是设计者发挥主观能动性的过程，同时也是知识运用和经济分析高度融合的过程。本文对高层建筑结构设计中的几个问题进行探讨。
　　【关键词】高层建筑 结构设计 问题 探讨
　　Abstract： The design process of high-rise building structure designers take the initiative process, but also apply the knowledge and economic analysis of the high degree of integration process. This article is to discuss several issues in the design of high-rise building structure.
　　Key words： high-level design of building structures Issues
　　中图分类号： TU97 文献标识码：A 文章编号：
　　前言
　　随着我国综合国力的不断提高，房地产业迅猛发展，建筑业已成为社会支柱产业之一。由于土地资源宝贵，所以高层建筑数量剧增。目前的工程设计领域中，往往不够重视结构经济性问题，导致同一工程不同的人设计其土建造价可能差别很大，造成不必要的浪费。而高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性。
　　一、 高层建筑结构设计方面的原则
　　1、选用适当的计算简图：结构计算式在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当则会导致结构安全的事故常常发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。
　　2、选择合适的基础方案：基础设计应根据工程地质条件，上部结构类型与载荷分布，相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析，选择经济合理的基础方案，设计时宜最大限度地发挥地基的潜力，必要时应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告，对一些缺少地质报告的建筑应进行现场查看和参考临近建筑资料。通常情况下，同一结构单元不宜用两种不同的类型。
　　3、重视结构延性设计
　　相对于底层建筑而言，高层建筑的结构更柔和一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使高层建筑结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
　　4、水平荷载
　　一方面，因为高层建筑楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比：而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比：另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度变化。
　　二、高层建筑结构设计的几个问题
　　1、筏形基础设计
　　1） 筏形基础及其设计方法
　　筏形基础也称为片筏基础或筏式基础，是高层建筑中常用的一种形式，它适用于高层建筑地下部分用作商场、停车场、机房等大空间房屋。筏形基础具有整体刚度大，能有效的调节基地压力和不均匀沉降，并有较好的防渗性能；天然地基上的筏形基础以整个房屋下大面积的筏片与地基相接触，可使地基承载力随着基础埋深和宽度的增加而增大，因而它具有减小基底压力和调整不均匀沉降的能力。
　　筏形基础可分为平板式筏型基础和梁板式筏形基础。平板式筏型基础是一块厚度相等的钢筋混凝土平板，其厚度通常为1-2.5m，故混凝土用量大，但施工方便，建造速度快。梁板式筏形基础的底板厚度较小，在两个方向上沿柱列布置有肋梁，以加强底板的刚度，改善底板的受力。
　　筏形基础的设计方法根据采用的假定不同可分为刚性板方法和弹性板方法两大类。当地基土比较均匀、上部结构刚度较好、平板式筏型基础的后跨比或梁板式筏形基础的肋梁高跨比不小于1/6、柱间距及柱荷载的变化不超过20%时，高层建筑的筏形基础可仅考虑局部弯曲作用，按倒楼盖法（即刚性板方法）进行计算。
　　2）筏形基础的配筋计算及构造
　　筏形基础的混凝土强度等级不宜低于C30，垫层厚度通常取100mm。当有防水要求时，混凝土的抗渗等级按规范要求确定。当采用刚性防水方案时，同一建筑的基础应避免设置变形缝，可沿基础长度每隔30-40m留一道贯通顶板、底板及墙板的施工后浇带。
　　筏形基础的底板一般仅进行正截面承载力计算，肋梁应进行正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力计算。对平板式筏基，按柱上板带的正弯矩配置板内底部钢筋，按跨中板带的负弯矩配置板内上部钢筋。钢筋间距不应小于150mm，宜为200-300mm，受力钢筋直径不宜小于12mm。采用双向钢筋网片配置在板的顶面和底面。筏形基础的配筋除满足计算要求外，平板式筏形基础的底部和梁板式筏形基础的底板肋梁，其纵横方向的底部钢筋尚应有1/2―1/3贯通全跨，且其配筋率不应小于0.15%，顶部钢筋按计算配筋全部贯通。
　　2、短肢剪力墙的设置问题
　　短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙。近年兴起的短肢剪力墙结构．虽然有利于住宅建筑布置．也可减轻结构自重，但在高层住宅中，剪力墙肢不宜太短，因为短肢剪力墙的抗震性能较差，地震区应用经验不多。为安全起见。高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。短肢剪力墙较多时，应布置筒体(或一般剪力墙)．形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构，并且《高规》中对短肢剪力墙的最大适用高度、抗震等级、底部加强部位、纵向钢筋总配筋率等增加了很多的限制，因此．在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙。
　　3、高层建筑抗震设计中常见问题
　　1） 高度问题
　　按我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3―2002)规定综合考虑经济与适用的原则，给出了各种常见结构体系的最大适用高度，详表1
　　表 1 钢筋混凝土结构高楼的最大适用高度(m)
　　Tab1the top usable height of steel-concrete building
　　结构体系
　　 非抗震
　　设计 抗震设防烈度
　　框
　　
　　架
　　 现 浇 60 60 55 45 25
　　 整体装配 50
　　 50 35 25 －
　　框架－剪力墙和框架筒体 现 浇 130 130 120 100 50
　　 装配整体 100 100 90 70 ―
　　现浇剪力墙 无框支墙 140 140 120 100 60
　　 部分框支墙 120 120 100 80 ―
　　筒中筒及成束筒 180 180 150 120 70
　　这个高度是在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下，较为稳
　　妥的，也是与目前整个土木工程规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土
　　结构高层建筑的高度超过了这个限制，如：采用组合结构体系的金茂大厦，高达
　　420.15m（建筑高度）；采用混凝土结构体系的中信广场，也高达322m（建筑高度）。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化，随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。

　　2）材料的选用和结构体系问题
　　在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m 以上的建筑，采用的三种主要结构体系(框―筒、筒中筒和框架―支撑) ，这些也是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外特别在地震区，是以钢 结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90 %。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80 %以上的地震作用剪力，有的高达90 %以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担， 而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，且加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。
　　在高层建筑中， 根据现在我国建筑钢材的类型、 品种和钢结构的加工制造能力，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱) 结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，为减小风振，钢骨(钢管) 混凝土通常作为首选。在钢骨混凝土构件中，日本阪神地震震害说明，采用格构式的型钢时，震害严重，采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的，则震害要减小许多。
　　3）轴压比与短柱问题
　　在钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制柱的轴压比而使柱的截面很大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋。即使采用高强混凝土，柱断面尺寸也不能明显减小。限制柱的轴压比是为了使柱子处于大偏压状态，防止受拉钢筋未达屈服而混凝土被压碎。柱的塑性变形能力小，则结构的延性就差，当遭遇地震时，耗散和吸收地震能量少，结构容易被破坏。但是在结构中若能保证强柱弱梁设计，且梁具有良好延性，则柱子进入屈服的可能性就大大减少，此时可放松轴压比限值。另外，许多高层建筑底部几层柱的长细比虽然小于4 ，但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比≤2 的柱才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值，柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。
　　结语
　　总之，我国的高层建筑建设发展迅速，但也存在一些问题。在高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择。
　　参考文献
　　【l】梅洪元，付本臣．中国高层建筑创作理论发展研究【R】．高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2002．
　　【2】赵西安．现代高层建筑结构设计【M】．北京：科学出版社，2004．
　　【3】于险峰．高层建筑结构设计特点及其体系【J】．建筑技术，2009(24 J．
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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