高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點及注意事項

呂敏

（淮北市建筑勘察設(shè)計研究院有限公司，安徽 淮北 235000）

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

1.1 水平力是設(shè)計主要因素

在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動力性的不同而有較大的變化。

1.2 側(cè)移成為控指標(biāo)

與低層或多層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大，與建筑高度H的4次方成正比（△＝qH4/8EI）。

另外，高層建筑隨著高度的增加、輕質(zhì)高強材料的應(yīng)用、新的建筑形式和結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)、側(cè)向位移的迅速增大，在設(shè)計中不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，還要求具有足夠的抗推剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某一限度之內(nèi)。

1.3 抗震設(shè)計要求更高

有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

1.4 減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要

高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意昧著不增加基礎(chǔ)造價和處理措施，可以多建層數(shù)，這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟效益。

1.5 軸向變形不容忽視

采用框架體系和框架——剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸壓應(yīng)力往往大于邊柱的軸壓應(yīng)力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當(dāng)房屋很高時，此種軸向變形的差異將會達(dá)到較大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁中間支座沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大。

1.6 概念設(shè)計與理論計算同樣重要

抗震設(shè)計可以分為計算設(shè)計和概念設(shè)計兩部分。高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計計算是在一定的假想條件下進行的，盡管分析手段不斷提高，分析的原則不斷完善，但由于地震作用的復(fù)雜性和不確定性，地基土影響的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)體系本身的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致理論分析計算和實際情況相差數(shù)倍之多，尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段之后，會出現(xiàn)構(gòu)件局部開裂甚至破壞，這時結(jié)構(gòu)已很難用常規(guī)的計算原理去進行分析。實踐表明，在設(shè)計中把握好高層建筑的概念設(shè)計也是很重要的。

根據(jù)商保公司經(jīng)辦城鄉(xiāng)居民基本醫(yī)保模式主要要素，總結(jié)分析商保機構(gòu)經(jīng)辦城鄉(xiāng)居民基本醫(yī)保的試點情況。依據(jù)理論研究和實踐結(jié)果，目前安徽省商保公司經(jīng)辦城鄉(xiāng)居民基本醫(yī)保試點初步形成的模式主要是委托經(jīng)辦模式，即：政府將業(yè)務(wù)委托商保公司，按照協(xié)議由后者獲取適當(dāng)?shù)慕?jīng)辦費用，提供經(jīng)辦服務(wù)。在委托經(jīng)辦模式中，按照經(jīng)辦費用來源已初步形成委托經(jīng)辦支付費用模式、委托經(jīng)辦不支付費用模式兩種。每一大類中，按照經(jīng)辦服務(wù)內(nèi)容、經(jīng)辦費用獲取方式、基金風(fēng)險承擔(dān)實際運行情況又可分不同的模式。見表2

2 高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

2.1 框架一剪力墻體系。從結(jié)構(gòu)體系上看由于它平面布置靈活，空間大，能適應(yīng)較多功能的需要，當(dāng)框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來代替因此成為高層建筑的主要結(jié)構(gòu)形式。但是，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小，在一般節(jié)點連接情況下，當(dāng)承受側(cè)向的風(fēng)力或地震作用時，將會有較大的變形。因此，限制了這種結(jié)構(gòu)形式的建造高度和層數(shù)但是在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系。為了滿足更高層數(shù)的要求，出現(xiàn)了較高層數(shù)的剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的側(cè)向剛度和規(guī)整的平面布置，按照功能要求，設(shè)置自下而上的現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻，對抵抗側(cè)向風(fēng)力和地震作用是十分有利的，剪力墻體系屬剛性結(jié)構(gòu)，其位移曲線呈彎曲型。有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結(jié)構(gòu)體系因此它允許建造的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于框架結(jié)構(gòu)。

2.3 筒體體系。筒體結(jié)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的新體系，凡采用筒體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為筒體體系，它的出現(xiàn)滿足了高層建筑更高層數(shù)的要求，包括單筒體、筒體一框架、筒中筒、多束筒等多種形式。筒體是一種空間受力構(gòu)件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。筒體結(jié)構(gòu)具有很好的整體性和抗側(cè)力性能，在平面布置和滿足功能要求方面也有明顯的優(yōu)勢，為眾多高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)所采用。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題

3.1 結(jié)構(gòu)選型。對于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，在工程設(shè)計的結(jié)構(gòu)選型階段應(yīng)注意以下幾點：

3.1.1 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件。而且，新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案?！币虼耍Y(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計階段工作的被動。

3.1.2 結(jié)構(gòu)的超高問題。對于超高限建筑物,應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度。因為在地震力作用下,超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會發(fā)生很大的變化。隨著建筑物高度的增加,許多影響因素將發(fā)生質(zhì)變,即有些參數(shù)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍,如安全指標(biāo)、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選取等。，因此，必須對結(jié)構(gòu)的該項控制因素嚴(yán)格注意。

3.2 地基與基礎(chǔ)設(shè)計

對高層建筑來說，在抗震設(shè)計中，房屋的高寬比是一個需慎重考慮的問題。不僅僅由于該階段設(shè)計過程的好與壞將直接影響后期設(shè)計工作的進行，同時，也是地基基礎(chǔ)整個工程造價的決定性因素，在這一階段，所出現(xiàn)的問題也有可能更加嚴(yán)重甚至造成無法估量的損失。在地基基礎(chǔ)設(shè)計中要注意地方性規(guī)范的重要性問題。

3.3 結(jié)構(gòu)計算與分析

在結(jié)構(gòu)計算與分析階段，如何準(zhǔn)確，高效地對工程進行內(nèi)力分析并按照規(guī)范要求進行設(shè)計和處理。

3.3.1 首先基本選定結(jié)構(gòu)方案后,緊接著就是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心部分--結(jié)構(gòu)計算由于新規(guī)范的推出對結(jié)構(gòu)整體計算和分析部分內(nèi)容進行了調(diào)整和改進，因此，對這一階段比較常見的問題應(yīng)該有一個清晰的認(rèn)識。

3.3.2 周期折減系數(shù)，在高層結(jié)構(gòu)中設(shè)置了非結(jié)構(gòu)的砌體填充墻,在結(jié)構(gòu)計算時應(yīng)考慮其對主體結(jié)構(gòu)的影響。周期的折減應(yīng)考慮到門窗洞口的設(shè)置對周期的影響,不同的結(jié)構(gòu)類型和填充墻的多少也決定了周期折減系數(shù)的取值,而不能一概而論。

3.3.3 振型數(shù)目是否足夠。陣型數(shù)的多少與結(jié)構(gòu)的層數(shù)有關(guān),對振型的取值都有較為明確的規(guī)定。在新規(guī)范中增加一個振型參與系數(shù)的概念，并明確提出了該參數(shù)的限值。因此,在計算分析階段,根據(jù)規(guī)范要求對計算結(jié)果進行判斷,并決定是否要調(diào)整振型數(shù)目的取值

4 結(jié)束語

總之，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個長期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過程，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實際情況做好結(jié)構(gòu)分析，多做方案比較。否則任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設(shè)計過程變得更加復(fù)雜或使設(shè)計結(jié)果存在不安全因素。

[1]吳景祥.高層建筑設(shè)計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1987.

[2]包世華,方鄂華.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社,1990.