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【摘要】国内近十多年来，复杂高层建筑大量涌现，它们虽然给人们一种新的视觉感受，为人们提供了良好的生活环境和工作条件，但是却给结构抗震设计带来很大难度。本文就复杂高层建筑结构设计中的关键技术做了分析。
【关键词】复杂高层建筑； 结构设计； 技术研究
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
前言
复杂高层建筑结构包括转换层结构、加强层结构、错层结构、连体结构和多塔楼结构等。这些结构竖向布置不规则，传力途径复杂，有的工程平面布置也不规则。鉴于目前建筑多功能发展的需要，工程中往往会遇到这些复杂结构，为使结构的质量安全得到基本保证，需加强对结构设计中关键技术的研究。
1带转换层高层建筑设计要点
1.1转换层上、下剐度突变的控制
当转换层位置大于1层时，应按规定分别计算等效侧向刚度比儿和转换层本层的侧向刚度与转换层相邻上一层的侧向刚度比。设计中应同时满足这两种刚度比的限制条件。
转换层上部与下部结构的等效刚度比的计算中考虑了结构的剪切变形和弯曲变形。当小于1．3时，转换层上、下刚度突变及内力传递途径突变都比较小。同时规定，转换层设置在3层及3层以上时，其本层的侧向刚度不应小于转换层相邻上一层楼层侧向刚度的60％。
1.2提高框支层构件的承载力，避免出现薄弱层
a）对每层框支柱的数目不多于10根的场合，当框支层为1～2层时，每根柱所承受的剪力应至少取基底剪力的2％；当框支层为3层及3层以上时，每根柱所承受的剪力应至少取基底剪力的3％。
b）对每层框支柱的数目多于10根的场合，当框支层为1—2层时，每层框支柱所承受的剪力之和应取基底剪力的20％；当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受的剪力之和应取基底剪力的30％。
1.3转换层上、下部剪力墙的构造要求
a）框支梁上部墙体的构造要求：试验研究及有限元分析结果表明，在竖向及水平荷载作用下，框支边柱上墙体的端部、中间柱上0．2框支梁净跨宽度及高度范围内有大的应力集中，因此这些部位的墙体和配筋应予以加强。
b）剪力墙底部加强部位的构造要求：落地剪力墙几乎承受全部地震剪力，為了保证其抗震承载力和延性，截面设计时，特一、二级落地剪力墙底部加强部位的弯矩设计值应分别按墙底截面有地震作用效应组合的弯矩值乘以增大系数1．8、1．5和1．25后采用。落地剪力墙的墙肢不宜出现偏心受拉。
2、加强层的设计要点
（1）带加强层高层建筑结构应按三维空间分析方法进行整体内力和位移计算，其水平伸臂构件作为整体结构中的构件参与整体结构计算。在结构整体分析后，应取整体分析中的内力和变形作为边界条件，对伸臂加强层再做一次单独分析。
(2)加强层的位置和数量是由建筑使用功能和结构的合理有效综合考虑决定的。当布置1个加强层时，位置可在0．6H附近；当布置2个加强层时，位置可在顶层和0．5H附近；当布置多个加强层时，加强层宜沿竖向从顶层向下均匀布置。
(3)尽量使水平伸臂构件贯通核心筒，以保证其与核心筒的可靠连接。此外，水平伸臂构件在平面布置上宜位于核心筒的转角或T字节点处，避免核心筒墙体承受很大的平面外弯矩和局部应力集中而破坏。
(4)试验和计算分析说明，加强层的水平伸臂构件及与加强层相邻的框架柱和核心筒所受的内力很大，因此设计中应特别注意加强配筋构造。
(5)为增强结构的整体性，对加强层及其相邻层的楼盖应加强其刚度和配筋。
(6)外围框架柱的轴向压缩变形和竖向温度变形都大于核心筒，应注意在施工中和构造上采取措施，减少外围框架柱和核心筒之间的变形，减少非荷载作用产生的结构附加内力。
(7)加强层及其相邻楼层核心筒的配筋应加强，其竖向分布钢筋和水平分布钢筋的最小配筋率，抗震等级为一级时不应小于0．5％，二级时不应小于0．45％，三、四级和非抗震设计时不应小于0．4％，且钢筋直径不宜小于12mm，间距不宜大于100mm。
(8)加强层及其相邻层楼盖刚度和配筋应加强，楼板应采用双层双向配筋，每层每方向钢筋均应拉通，且配筋率不宜小于0．35％；混凝土强度等级不宜低于C30。
3带错层高层建筑结构设计要点
(1)试验结果表明，平面布置不规则、扭转效应显著的错层剪力墙结构破坏严重；而平面布置规则的错层剪力墙结构，其破坏程度相对较轻。计算分析表明，错层框架结构或错层框架一剪力墙结构，其抗震性能比错层剪力墙结构更差。因此，抗震设计时，高层建筑宜避免错层。当房屋不同部位因功能不同而使楼层错层，宜用防震缝划分为独立的结构单元。
(2)楼层错层后，沿竖向结构刚度不规则，难以用简化方法进行结构分析。因此，对错层高层建筑结构宜采用三维空间分析程序，按结构的实际错层情况建立计算模型，相邻错开的楼层不应归并为一个楼层计算。对于错层剪力墙结构，当因楼层错层使剪力墙洞口不规则时，在结构整体分析之后，对洞1：3不规则的剪力墙宜进行有限元补充计算，其边界条件可根据整体分析结果确定。
(3)9度抗震设计时不应采用错层结构。设计中如遇到错层结构，除应采取必要的计算和构造措施外，其最大适用高度应符合下列要求：7度和8度抗震设计时，错层剪力墙结构的房屋高度分别不宜大于80m和60m；错层框架一剪力墙结构的房屋高度分别不应大于80m和60m。
4多塔楼高层建筑结构设计要点
对大底盘多塔楼高层建筑结构，应采用三维空间分析方法进行整体计算。大底盘裙房和上部各塔楼均应参与整体计算，不应切断裙房分别进行各塔楼部分的计算。多塔高层结构的主要分析模型有以下几种：
(1)串并联质点系层模型。该模型对结构各楼层仅考虑两个正交水平方向上的自由度，不考虑结构的扭转自由度。由于各个塔楼振动相对比较独立，仅通过底盘相互耦联，可以把各个塔楼看作多个并联的串联质点系；底盘刚度较大时，可以作为单个串联质点系，塔楼和底盘通过主从节点相连，构成图1（a）。所示的串并联质点系模型。该模型不能给出多塔结构中的平扭振动。(2)串并联刚片系层模型。在多塔结构中，对于各塔楼引入楼面无限刚度假设后，形成几个并联的串联刚片系，与其底盘的串联刚片系通过主从节点连接后，形成如图1(b)所示的串并联刚片系模型。在这种动力模型中，每个刚片具有三个自由度，楼层的质量集中于刚片的质心。
(3)考虑底盘楼板变形的串并联刚片系层模型。在多塔结构中，当底盘由于开洞或平面变化使得塔楼平面内刚度较弱或因塔楼间距较大而必须考虑底盘楼盖的平面内变形的影响时，应将塔楼间底盘的楼盖视为弹性板，此时结构的动力分析模型如图1(C)所示，此模型可称为带弹簧的串并联刚片系层模型。
(4)分段连续化串并联组模型。在此模型中，将大底盘、上部塔楼分别简化为若干个均匀连续化的子结构，并假定每个子结构内的物理和几何参数保持不变，沿高度方向各子结构彼此串联，沿横向各塔楼子结构通过底盘并联在一起，最后形成如图1(d)所示的分段连续化的串并联振动模型。
图1大底盘多塔结构的动力分析模型
5 结语
随着建筑功能的日益多样化，建筑层数不断增加、新高度不断被突破，建筑结构体系日趋多样化，这就要求我们要认真研究建筑结构的选型、把握结构关键部位、分析比较结构整体的要点及其他设计注意事项等，为复杂高层建筑结构体系的工程设计和构造措施提供具有实际操作意义的依据。
参考文献：
【1】方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].机械工业出版社.2004.
【2】傅学怡.实用高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，1999.
【3】唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社，2002.
个人简介：黎遗富（1982.9—）, 男，广西横县人，助理工程师， 学士学位， 从事建筑结构设计工作。
【关键词】复杂高层建筑； 结构设计； 技术研究
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
前言
复杂高层建筑结构包括转换层结构、加强层结构、错层结构、连体结构和多塔楼结构等。这些结构竖向布置不规则，传力途径复杂，有的工程平面布置也不规则。鉴于目前建筑多功能发展的需要，工程中往往会遇到这些复杂结构，为使结构的质量安全得到基本保证，需加强对结构设计中关键技术的研究。
1带转换层高层建筑设计要点
1.1转换层上、下剐度突变的控制
当转换层位置大于1层时，应按规定分别计算等效侧向刚度比儿和转换层本层的侧向刚度与转换层相邻上一层的侧向刚度比。设计中应同时满足这两种刚度比的限制条件。
转换层上部与下部结构的等效刚度比的计算中考虑了结构的剪切变形和弯曲变形。当小于1．3时，转换层上、下刚度突变及内力传递途径突变都比较小。同时规定，转换层设置在3层及3层以上时，其本层的侧向刚度不应小于转换层相邻上一层楼层侧向刚度的60％。
1.2提高框支层构件的承载力，避免出现薄弱层
a）对每层框支柱的数目不多于10根的场合，当框支层为1～2层时，每根柱所承受的剪力应至少取基底剪力的2％；当框支层为3层及3层以上时，每根柱所承受的剪力应至少取基底剪力的3％。
b）对每层框支柱的数目多于10根的场合，当框支层为1—2层时，每层框支柱所承受的剪力之和应取基底剪力的20％；当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受的剪力之和应取基底剪力的30％。
1.3转换层上、下部剪力墙的构造要求
a）框支梁上部墙体的构造要求：试验研究及有限元分析结果表明，在竖向及水平荷载作用下，框支边柱上墙体的端部、中间柱上0．2框支梁净跨宽度及高度范围内有大的应力集中，因此这些部位的墙体和配筋应予以加强。
b）剪力墙底部加强部位的构造要求：落地剪力墙几乎承受全部地震剪力，為了保证其抗震承载力和延性，截面设计时，特一、二级落地剪力墙底部加强部位的弯矩设计值应分别按墙底截面有地震作用效应组合的弯矩值乘以增大系数1．8、1．5和1．25后采用。落地剪力墙的墙肢不宜出现偏心受拉。
2、加强层的设计要点
（1）带加强层高层建筑结构应按三维空间分析方法进行整体内力和位移计算，其水平伸臂构件作为整体结构中的构件参与整体结构计算。在结构整体分析后，应取整体分析中的内力和变形作为边界条件，对伸臂加强层再做一次单独分析。
(2)加强层的位置和数量是由建筑使用功能和结构的合理有效综合考虑决定的。当布置1个加强层时，位置可在0．6H附近；当布置2个加强层时，位置可在顶层和0．5H附近；当布置多个加强层时，加强层宜沿竖向从顶层向下均匀布置。
(3)尽量使水平伸臂构件贯通核心筒，以保证其与核心筒的可靠连接。此外，水平伸臂构件在平面布置上宜位于核心筒的转角或T字节点处，避免核心筒墙体承受很大的平面外弯矩和局部应力集中而破坏。
(4)试验和计算分析说明，加强层的水平伸臂构件及与加强层相邻的框架柱和核心筒所受的内力很大，因此设计中应特别注意加强配筋构造。
(5)为增强结构的整体性，对加强层及其相邻层的楼盖应加强其刚度和配筋。
(6)外围框架柱的轴向压缩变形和竖向温度变形都大于核心筒，应注意在施工中和构造上采取措施，减少外围框架柱和核心筒之间的变形，减少非荷载作用产生的结构附加内力。
(7)加强层及其相邻楼层核心筒的配筋应加强，其竖向分布钢筋和水平分布钢筋的最小配筋率，抗震等级为一级时不应小于0．5％，二级时不应小于0．45％，三、四级和非抗震设计时不应小于0．4％，且钢筋直径不宜小于12mm，间距不宜大于100mm。
(8)加强层及其相邻层楼盖刚度和配筋应加强，楼板应采用双层双向配筋，每层每方向钢筋均应拉通，且配筋率不宜小于0．35％；混凝土强度等级不宜低于C30。
3带错层高层建筑结构设计要点
(1)试验结果表明，平面布置不规则、扭转效应显著的错层剪力墙结构破坏严重；而平面布置规则的错层剪力墙结构，其破坏程度相对较轻。计算分析表明，错层框架结构或错层框架一剪力墙结构，其抗震性能比错层剪力墙结构更差。因此，抗震设计时，高层建筑宜避免错层。当房屋不同部位因功能不同而使楼层错层，宜用防震缝划分为独立的结构单元。
(2)楼层错层后，沿竖向结构刚度不规则，难以用简化方法进行结构分析。因此，对错层高层建筑结构宜采用三维空间分析程序，按结构的实际错层情况建立计算模型，相邻错开的楼层不应归并为一个楼层计算。对于错层剪力墙结构，当因楼层错层使剪力墙洞口不规则时，在结构整体分析之后，对洞1：3不规则的剪力墙宜进行有限元补充计算，其边界条件可根据整体分析结果确定。
(3)9度抗震设计时不应采用错层结构。设计中如遇到错层结构，除应采取必要的计算和构造措施外，其最大适用高度应符合下列要求：7度和8度抗震设计时，错层剪力墙结构的房屋高度分别不宜大于80m和60m；错层框架一剪力墙结构的房屋高度分别不应大于80m和60m。
4多塔楼高层建筑结构设计要点
对大底盘多塔楼高层建筑结构，应采用三维空间分析方法进行整体计算。大底盘裙房和上部各塔楼均应参与整体计算，不应切断裙房分别进行各塔楼部分的计算。多塔高层结构的主要分析模型有以下几种：
(1)串并联质点系层模型。该模型对结构各楼层仅考虑两个正交水平方向上的自由度，不考虑结构的扭转自由度。由于各个塔楼振动相对比较独立，仅通过底盘相互耦联，可以把各个塔楼看作多个并联的串联质点系；底盘刚度较大时，可以作为单个串联质点系，塔楼和底盘通过主从节点相连，构成图1（a）。所示的串并联质点系模型。该模型不能给出多塔结构中的平扭振动。(2)串并联刚片系层模型。在多塔结构中，对于各塔楼引入楼面无限刚度假设后，形成几个并联的串联刚片系，与其底盘的串联刚片系通过主从节点连接后，形成如图1(b)所示的串并联刚片系模型。在这种动力模型中，每个刚片具有三个自由度，楼层的质量集中于刚片的质心。
(3)考虑底盘楼板变形的串并联刚片系层模型。在多塔结构中，当底盘由于开洞或平面变化使得塔楼平面内刚度较弱或因塔楼间距较大而必须考虑底盘楼盖的平面内变形的影响时，应将塔楼间底盘的楼盖视为弹性板，此时结构的动力分析模型如图1(C)所示，此模型可称为带弹簧的串并联刚片系层模型。
(4)分段连续化串并联组模型。在此模型中，将大底盘、上部塔楼分别简化为若干个均匀连续化的子结构，并假定每个子结构内的物理和几何参数保持不变，沿高度方向各子结构彼此串联，沿横向各塔楼子结构通过底盘并联在一起，最后形成如图1(d)所示的分段连续化的串并联振动模型。
图1大底盘多塔结构的动力分析模型
5 结语
随着建筑功能的日益多样化，建筑层数不断增加、新高度不断被突破，建筑结构体系日趋多样化，这就要求我们要认真研究建筑结构的选型、把握结构关键部位、分析比较结构整体的要点及其他设计注意事项等，为复杂高层建筑结构体系的工程设计和构造措施提供具有实际操作意义的依据。
参考文献：
【1】方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].机械工业出版社.2004.
【2】傅学怡.实用高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，1999.
【3】唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社，2002.
个人简介：黎遗富（1982.9—）, 男，广西横县人，助理工程师， 学士学位， 从事建筑结构设计工作。