论文部分内容阅读
摘要：随着我国城市化建设进程的加快，城市人口的高度集中，造成城市的土地日趋紧张，促进了高层建筑物的不断发展。本文对高层建筑结构设计进行了论述。
关键词：结构体系高层建筑结构设计
[TU208.3]
一 常见的高层结构体系介绍
在高层建筑中，抵抗水平力是设计的主要矛盾，因此抗侧力结构体系的确定和设计成为结构设计的关键问题。常见的结构体系有下列五种，即框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、筒体结构体系、巨型结构体系。在此，笔者对这五种结构体系做出了简单的介绍。
1.1 框架结构体系
框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构，框架形成可灵活布置的建筑空间，具有较大的室内空间，使用较方便。由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制；剪切型变形，即层间侧移随着层数的增加而减小；框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用不多；高度一般控制在70m以下。
1.2 剪力墙结构体系
利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。剪力墙结构体系于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载。根据施工方法的不同，可以分为：全部现浇的剪力墙；全部用预制墙板装配而成的剪力墙；内墙现浇、外墙为预制装配的剪力墙。
1.3 框架- 剪力墙结构（框架- 筒体结构）体系
在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来；取长补短；共同抵抗水平荷载，就组成了框架- 剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架-筒体结构体系。框架- 剪力墙（筒体）结构比框架结构的刚度和承载能力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件的损坏。
1.4 筒体结构体系
单个筒体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墙组成空间薄壁筒体，即为实腹筒；框架通过减小肢距，形成空间密柱框筒，即框筒；筒壁若用空间桁架组成，则形成桁筒。实际结构中除烟囱等构筑物外不可能存在单筒结构，而常常以框架- 筒体结构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结构形式出现。
1.5 巨型结构体系
巨型结构一般由两级结构组成。第一级结构超越楼层划分，形成跨若干楼层的巨梁、巨柱（超级框架） 或巨型衍架杆件（超级衍架），以这巨型结构来承受水平力和竖向荷载，楼面作为第二级结构，只承受竖向荷载并将荷载所产生的内力传递到第一级结构上。常见的巨型结构有巨型框架结构和巨型桁架结构。
二 结构设计中应该注意的问题
2.1 合理的剪力墙布置和剪力墙的合理数量
1）剪力墙合理数量确定
可以采用层结构截面面积（即剪力墙截面面积Aw和柱截面面积Ac之和）与楼面面积Af之比，剪力墙截面面积Aw与楼面面积Af之比从一些设计较合理的工程来看（Aw+Ac）/Af值和Aw/Af值大约在表1范围之内：
对于层数多，高度大的框架－剪力墙结构，宜取表中的上限值。上表中为剪力墙纵横两个方向的总量，两个方向剪力墙的数量宜相近。
2）剪力墙的布置
一般情况下，剪力墙宜布置在以下部位：竖向荷载较大处；平面形状变化处；楼梯间和电梯间。当楼面有较长的外伸端时，宜在外伸端的适当位置设置剪力墙。纵横向剪力墙宜合并布置为L 形、T形和口字形，以提高其强度和刚度。剪力墙的单个墙肢长度不宜大于8m，以免因剪切而破坏；对于过长的单片墙可以留出结构洞口，划分为联肢墙的两个墙肢。如果建筑上不需要这个洞口，可以在施工完毕后用轻质材料封闭。另外，设剪力墙之后，框架柱应予以保留，作为剪力墙的端部翼缘，剪力墙端部钢筋配置在柱截面内，端柱能加强剪力墙的承载力和稳定性。尽量设置明框梁，如果建筑功能上确实无法设置明梁时应设置暗梁，暗梁的高度与明梁的相同，纵筋与箍筋也与明梁相同，配置在墙身内。
2.2 有关系数的取值
1）主坐标系的旋转角AG
对于比较复杂的平面，常在计算完一个方向XOY以后，转动一个角度AG（0～π）再计算一次。此时不再修改数据，但应注意此情况下不应利用结构的对称性，而且风荷载重新修改。
2）考虑藕连振动和选择振型数量
在一般情况下，可以不考虑弯扭藕连振动，此时较规则结构可用3个振型，竖向体型复杂、顶部有高塔时，宜用6个振型。当平面极不规则时，可采用考虑弯扭藕连振动的振型组合方法。采用9～15个振型。
3）连梁的刚度调整系数BEC
一端或两端与剪力墙相连的连梁，截面高，跨度小，刚度大，配筋比较困难。为此，允许考虑连梁出现裂缝，刚度降低以减少其弯矩和剪力。但为防止裂缝过宽，BEC不应小于0.55。为了避免把有些跨度较大的梁或跨度虽然不是很大，但与剪力墙平面外相连的梁刚度折减太大而偏于不安全，设计时要指明非连梁，如果配筋还是很困难时，还可以在刚度足够满足水平位移限值的条件下，降低连梁的高度，通过减小刚度而降低内力。
4）梁端弯矩调幅系数BEK
梁在竖向荷载作用下的负弯矩可予以降低，以免配筋困难，调幅系数BEK 可取0.8～0.9，不调时为1.0，梁端负弯矩调幅后，梁跨中正弯距相应增大。水平力作用下的弯矩不能调幅。
2.3 梁的扭矩问题
梁在空间受力状态下承受扭矩。虽然梁出现扭转裂缝后抗扭刚度大大降低而使扭矩减小，但在正常使用下梁处于弹性状态，所以抗扭刚度本身不予折减。但由于在截面作受扭承载力验算时，梁只考虑了矩形部分，板的作用并没有考虑，所以梁承受的扭矩只是总扭矩的一部分。目前，大多数建筑的楼面为现浇板，因此，现浇楼面梁在设计时，扭矩设计值可以折减，折减系数为0.4～1.0。在具体设计时应注意梁的周边无板的梁的抗扭；装配式楼盖或独立梁的扭矩不应折减。
2.4 框架－剪力墙结构中，框架剪力的调整
在三维空间程序TBSA计算中采用了楼板平面内刚度无限大的假定，即认为楼板在自身平面内是不变形的。但是在框架- 剪力墻结构中。作为主要侧向支承的剪力墙间距很大，实际上楼板是会变形的，变形的结果将会使框架部分的水平位移大于剪力墙的水平位移，相应地，框架实际承受的水平力大于采用刚性楼板假定的计算结果。更为重要的是，剪力墙的刚度大，承受了大部分的水平力。因而在地震作用下，剪力墙会首先开裂，刚度降低，从而使一部分地震力向框架转移，框架受到的地震作用会显著增加。
另外，由内力分析可知，框架剪力墙结构中的框架，受力情况不同于纯框架结构中的框架，它下部楼层的计算剪力很小，到底部接近于零。显然直接按照计算的剪力进行配筋是不安全的，必须予以适当的调整，使框架具有足够的抗震能力，使框架成为框架剪力墙结构的第二道防线。
具体设计时对于底层大底盘结构应对裙房部分和上部主体部分分别进行调整；还有结构沿竖向变化很大，平面不规则的结构在调整时应加以分析，例如作者在做某小区高层建筑结构设计时，该工程地下2层，地上25层。第25层为水箱间，该层为斜塔式，垂直高度为11米左右，地面以上至水箱间楼板的高度为96m。该小区设防烈度为7度，框架和剪力墙的抗震等级均为2级，21～22层山墙两端跨各缩进3.90m，23层平面又有缩进，而且该工程高宽比超限，为此，剪力墙布置的比较多，建筑面积不大，相对来说柱子显得不多，如果进行整体一次调整，21层以上配筋超限很多，显然不合理，因此采用分别调整。
3 结束语
随着建筑物高度的不断提高，建筑结构的安全性和稳定性在此时显得更重要。设计人员应该不断加强自身学习，充分考虑影响建筑结构的各方面因素，根据建筑物具体情况进行细致分析和研究，使建筑物达到更安全更稳定的效果。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：结构体系高层建筑结构设计
[TU208.3]
一 常见的高层结构体系介绍
在高层建筑中，抵抗水平力是设计的主要矛盾，因此抗侧力结构体系的确定和设计成为结构设计的关键问题。常见的结构体系有下列五种，即框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、筒体结构体系、巨型结构体系。在此，笔者对这五种结构体系做出了简单的介绍。
1.1 框架结构体系
框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构，框架形成可灵活布置的建筑空间，具有较大的室内空间，使用较方便。由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制；剪切型变形，即层间侧移随着层数的增加而减小；框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用不多；高度一般控制在70m以下。
1.2 剪力墙结构体系
利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。剪力墙结构体系于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载。根据施工方法的不同，可以分为：全部现浇的剪力墙；全部用预制墙板装配而成的剪力墙；内墙现浇、外墙为预制装配的剪力墙。
1.3 框架- 剪力墙结构（框架- 筒体结构）体系
在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来；取长补短；共同抵抗水平荷载，就组成了框架- 剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架-筒体结构体系。框架- 剪力墙（筒体）结构比框架结构的刚度和承载能力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件的损坏。
1.4 筒体结构体系
单个筒体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墙组成空间薄壁筒体，即为实腹筒；框架通过减小肢距，形成空间密柱框筒，即框筒；筒壁若用空间桁架组成，则形成桁筒。实际结构中除烟囱等构筑物外不可能存在单筒结构，而常常以框架- 筒体结构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结构形式出现。
1.5 巨型结构体系
巨型结构一般由两级结构组成。第一级结构超越楼层划分，形成跨若干楼层的巨梁、巨柱（超级框架） 或巨型衍架杆件（超级衍架），以这巨型结构来承受水平力和竖向荷载，楼面作为第二级结构，只承受竖向荷载并将荷载所产生的内力传递到第一级结构上。常见的巨型结构有巨型框架结构和巨型桁架结构。
二 结构设计中应该注意的问题
2.1 合理的剪力墙布置和剪力墙的合理数量
1）剪力墙合理数量确定
可以采用层结构截面面积（即剪力墙截面面积Aw和柱截面面积Ac之和）与楼面面积Af之比，剪力墙截面面积Aw与楼面面积Af之比从一些设计较合理的工程来看（Aw+Ac）/Af值和Aw/Af值大约在表1范围之内：
对于层数多，高度大的框架－剪力墙结构，宜取表中的上限值。上表中为剪力墙纵横两个方向的总量，两个方向剪力墙的数量宜相近。
2）剪力墙的布置
一般情况下，剪力墙宜布置在以下部位：竖向荷载较大处；平面形状变化处；楼梯间和电梯间。当楼面有较长的外伸端时，宜在外伸端的适当位置设置剪力墙。纵横向剪力墙宜合并布置为L 形、T形和口字形，以提高其强度和刚度。剪力墙的单个墙肢长度不宜大于8m，以免因剪切而破坏；对于过长的单片墙可以留出结构洞口，划分为联肢墙的两个墙肢。如果建筑上不需要这个洞口，可以在施工完毕后用轻质材料封闭。另外，设剪力墙之后，框架柱应予以保留，作为剪力墙的端部翼缘，剪力墙端部钢筋配置在柱截面内，端柱能加强剪力墙的承载力和稳定性。尽量设置明框梁，如果建筑功能上确实无法设置明梁时应设置暗梁，暗梁的高度与明梁的相同，纵筋与箍筋也与明梁相同，配置在墙身内。
2.2 有关系数的取值
1）主坐标系的旋转角AG
对于比较复杂的平面，常在计算完一个方向XOY以后，转动一个角度AG（0～π）再计算一次。此时不再修改数据，但应注意此情况下不应利用结构的对称性，而且风荷载重新修改。
2）考虑藕连振动和选择振型数量
在一般情况下，可以不考虑弯扭藕连振动，此时较规则结构可用3个振型，竖向体型复杂、顶部有高塔时，宜用6个振型。当平面极不规则时，可采用考虑弯扭藕连振动的振型组合方法。采用9～15个振型。
3）连梁的刚度调整系数BEC
一端或两端与剪力墙相连的连梁，截面高，跨度小，刚度大，配筋比较困难。为此，允许考虑连梁出现裂缝，刚度降低以减少其弯矩和剪力。但为防止裂缝过宽，BEC不应小于0.55。为了避免把有些跨度较大的梁或跨度虽然不是很大，但与剪力墙平面外相连的梁刚度折减太大而偏于不安全，设计时要指明非连梁，如果配筋还是很困难时，还可以在刚度足够满足水平位移限值的条件下，降低连梁的高度，通过减小刚度而降低内力。
4）梁端弯矩调幅系数BEK
梁在竖向荷载作用下的负弯矩可予以降低，以免配筋困难，调幅系数BEK 可取0.8～0.9，不调时为1.0，梁端负弯矩调幅后，梁跨中正弯距相应增大。水平力作用下的弯矩不能调幅。
2.3 梁的扭矩问题
梁在空间受力状态下承受扭矩。虽然梁出现扭转裂缝后抗扭刚度大大降低而使扭矩减小，但在正常使用下梁处于弹性状态，所以抗扭刚度本身不予折减。但由于在截面作受扭承载力验算时，梁只考虑了矩形部分，板的作用并没有考虑，所以梁承受的扭矩只是总扭矩的一部分。目前，大多数建筑的楼面为现浇板，因此，现浇楼面梁在设计时，扭矩设计值可以折减，折减系数为0.4～1.0。在具体设计时应注意梁的周边无板的梁的抗扭；装配式楼盖或独立梁的扭矩不应折减。
2.4 框架－剪力墙结构中，框架剪力的调整
在三维空间程序TBSA计算中采用了楼板平面内刚度无限大的假定，即认为楼板在自身平面内是不变形的。但是在框架- 剪力墻结构中。作为主要侧向支承的剪力墙间距很大，实际上楼板是会变形的，变形的结果将会使框架部分的水平位移大于剪力墙的水平位移，相应地，框架实际承受的水平力大于采用刚性楼板假定的计算结果。更为重要的是，剪力墙的刚度大，承受了大部分的水平力。因而在地震作用下，剪力墙会首先开裂，刚度降低，从而使一部分地震力向框架转移，框架受到的地震作用会显著增加。
另外，由内力分析可知，框架剪力墙结构中的框架，受力情况不同于纯框架结构中的框架，它下部楼层的计算剪力很小，到底部接近于零。显然直接按照计算的剪力进行配筋是不安全的，必须予以适当的调整，使框架具有足够的抗震能力，使框架成为框架剪力墙结构的第二道防线。
具体设计时对于底层大底盘结构应对裙房部分和上部主体部分分别进行调整；还有结构沿竖向变化很大，平面不规则的结构在调整时应加以分析，例如作者在做某小区高层建筑结构设计时，该工程地下2层，地上25层。第25层为水箱间，该层为斜塔式，垂直高度为11米左右，地面以上至水箱间楼板的高度为96m。该小区设防烈度为7度，框架和剪力墙的抗震等级均为2级，21～22层山墙两端跨各缩进3.90m，23层平面又有缩进，而且该工程高宽比超限，为此，剪力墙布置的比较多，建筑面积不大，相对来说柱子显得不多，如果进行整体一次调整，21层以上配筋超限很多，显然不合理，因此采用分别调整。
3 结束语
随着建筑物高度的不断提高，建筑结构的安全性和稳定性在此时显得更重要。设计人员应该不断加强自身学习，充分考虑影响建筑结构的各方面因素，根据建筑物具体情况进行细致分析和研究，使建筑物达到更安全更稳定的效果。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。