论文部分内容阅读
摘要：如何设计出舒适、安全、经济、美观，同时又要符合人们精神生活要求的建筑。满足人们生产和生活的需求，是结构设计师们必须要面对和需要解决的首要问题。掌握高层建筑结构设计的要点，正确处理高层建筑设计过程中出现的问题，是每个结构设计师所必须具备的基本素质。本文介绍了高层建筑结构设计特点，探讨了高层建筑结构设计要点。
关键词：高层建筑结构设计特点要点
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
随着高层建筑的迅速发展, 建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展，因而相应的结构形式也复杂多样。能够满足高层建筑的形式、 材料、 力学分析模型日趋复杂, 结构体系更加多样化,高层建筑的结构设计成为结构工程师设计工作的重点和难点。
一、高层建筑结构设计特点
1、水平荷载成为决定性因素
高层建筑自身重量和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，与建筑物高度成正比关系；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与建筑物高度的二次方成正比；此外，对某一定高度建筑物而言，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的变化。
2、轴向变形不容忽视
高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形， 从而会对连续梁弯矩产生影响， 造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响， 要求根据轴向变形计算值， 对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较， 会得出偏于不安全的结果。
3、侧移成为控制指标
与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
4、结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使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。
二、高层建筑结构设计要点
1、注意结构的延性, 防止截面钢筋超配
（1）要使高层建筑在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力, 最理想的办法是使结构中所有的构件都具有很高的延性。然而在实际工程中很难完全做到这一点, 比较经济的办法是有选择有重点的提高结构中重要构件的延性。在结构竖向, 对于刚度沿高度均匀分布的、体形较简单的高层建筑, 应着重提高底层构件的延性; 对于大底盘高层建筑, 应着重提高主楼与裙房顶面相衔接的楼层中构件的延性; 对于不规则立面的高层建筑, 应着重加强体形突变处楼层构件的延性。在结构平面位置上, 应该着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处构件的延性; 对偏心结构, 应加大房屋周边特别是刚度较弱一侧构件的延性; 对具有多道抗震防线抗侧力构件, 应着重提高第一道抗震防线构件的延性。
（2）要使结构能进入弹塑性状态, 并能通过结构的塑性变形吸收地震能量、抗御更高烈度的地震, 就必须做到“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”, 才能使结构在进入弹塑性状态后形成合理的延性较大的屈服机制。在强震作用下, 结构的内力是按照各构件的实际承载力进行分配的, 而构件实际承载力的大小和构件截面的实际配筋有关。值得注意的一个问题是, 在实际设计时, 对某些构件的配筋进行放大调整, 形成了强梁弱柱、强杆件弱节点的不利情况, 这样做的结果可以保证构件小震不坏, 但是因为没有形成延性结构就不能保证大震不倒。因此在设计工作中, 必须注意构件截面纵向钢筋的超配现象, 同时也要注意材料的超强问题。
2、注意高层建筑的整体稳定性
对高层建筑来说, 在抗震设计中, 房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。
（1）对整个建筑进行抗倾覆稳定性验算, 使地震作用下的倾覆力矩与相应的重力荷载在基础与地基交界面上的合力作用点, 不应超出力矩作用方向抗倾覆构件基础边长的1/4。
（2）加大建筑物下部几层的宽度, 使其满足规范高宽比的限值, 从而保证上部结构的稳定。
（3）使基础有足够的埋置深度。有些裙楼和高层主楼从地上到地下用变形缝彻底分开, 导致主楼基础埋深不够, 地震时会使建筑物发生滑移、整体倾斜甚至倾覆。
（4）对于高宽比很大的高层建筑, 建议采用桩基础, 桩基础钢筋在承台内的锚固长度要足够大。因为桩是埋在土中的细长构件, 由于桩土摩擦力的存在, 桩的抗拔性能较好, 从而能很好地抵抗上部结构的倾覆。避免采用天然地基或复合地基上的浅基础。
3、关于框架柱截面大小的选择
（1）对于框架柱来讲, 轴压比越小, 在往复水平荷载作用下其滞回曲线越丰满, 其耗能能力越大、延性越好; 相反对于短柱, 在往复水平荷载作用下其滞回曲線呈较瘦的反S 形, 耗能能力降低、延性较差,呈剪切破坏。对高层建筑的底部柱而言, 为了满足轴压比限值的要求,将柱截面取得很大, 但是由于层高的限制, 就使得框架柱成为短柱。在实际工程设计中, 常采用以下几种措施:
①框架柱的截面首先要满足规范轴压比的要求;
②采用高强混凝土、钢管混凝土柱;
③使柱的轴压比满足规范限制要求。所以采取上述措施, 并符合强柱弱梁、强剪弱弯的原则后, 底层框架柱在地震时是能做到不发生剪切破坏的。
（2）同一楼层中各柱要尽量等刚度。地震震害表明, 长短柱共存时, 很容易因构件刚度及受力大小悬殊而各个击破, 先后依次破坏。
（3）在框架体系或框筒体系中, 角柱的受力要比其它柱差。这是因为:
①在双向刚接框架中, 角柱沿纵横两个方向都是单边有梁, 即在重力荷载作用下, 角柱已处于双向受弯状态;
②在高层建筑中, 水平荷载引起较大的倾覆力矩, 框架整体弯曲时, 使角柱所受的附加轴力最大;
③结构的质心与刚心不可能完全重合, 在结构的扭转振动过程中, 角柱的相对侧移最大, 因此为了防止角柱的斜向压弯及扭转破坏, 不能使柱截面太小, 同时要特别注意箍筋的加密, 增加箍筋对受压区混凝土的约束作用。但是不必刻意将角柱的截面增大。
4、关于剪力墙设计
（1）钢筋混凝土抗震墙的延性和破坏形态与墙体的高宽比和超静定次数密切相关。
①为了提高抗震墙的变形能力, 避免发生剪切破坏, 对于一道截面较长的抗震墙, 应该利用洞口设置弱连梁, 使墙体分为小开口墙、多肢墙或单肢墙, 并使每个墙段的高宽比不小于2。所谓弱连梁, 是指在地震作用下各层连梁的总约束弯矩不大于该墙段总地震弯矩的20%; 连梁不能太强, 以免水平地震作用下某个墙肢出现全截面受拉,这是比较危险的。但是, 考虑到耗能, 连梁又不能太弱, 连梁弱到成为一般小梁时, 墙肢就变成单肢墙, 而单肢墙的延性很差, 仅为多肢墙的一半, 且单肢墙仅具有一道抗震防线, 超静定次数少, 在地震作用下是很不利的。
②在实际设计中, 对连梁的刚度都要进行折减, 这是因为剪力墙的刚度一般都很大, 在水平力作用下, 剪力墙中的连梁会因为很大的内力而超过截面允许值, 可靠的办法是让这些连梁先屈服, 要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏, 连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求, 对连梁的刚度进行折减实际上就是降低其抗弯能力。
（2）规范规定, 剪力墙在端部应设置暗柱、端柱等边缘构件。这些边缘构件的作用相当于砖混结构的约束柱, 当结构的刚度较小, 地震作用下层间位移和顶点位移较大时, 边缘构件所起的作用也就越大,此时暗柱的截面和配筋就应加大。
5、地下室外墙的设计方法
在一般情况下, 地下室外墙所承受的主要荷载为结构自重、地面活载、侧向土压力等。在已建成的高层建筑中, 地下室外墙的墙厚和配筋相差很大, 在结构可靠与经济之间选择一个合理的平衡, 是一个值得探讨的课题。地下室外墙的受力状况与上部结构类型及平面布置有很大关系。当上部结构为框架结构时, 上部填充砌体及±0.00 楼板对地下室外墙顶端的约束程度很小, 此时可假定墙体顶端为铰接。当上部结构为钢筋混凝土剪力墙结构时, 剪力墙及±0.00 楼板对地下室外墙顶部的约束程度很大, 此时可假定墙壁顶端为固接。基础的刚度一般远大于墙体刚度, 所以墙的下端一般视为固定端。在实际情况中, 考虑到边界条件不十分明确, 为安全起见, 可对同一边界采用两种不同的假设, 如按端部固定计算墙端弯矩, 按端部铰接计算墙跨中弯矩。一般来讲, 当上部结构为框架时, 地下室外墙的墙厚和配筋要大些; 当上部结构为剪力墙时, 由于正压应力的存在, 墙体厚度和配筋相对要小些。计算表明, 外墙壁配筋满足裂缝宽度要求后, 一般能同时满足承载力计算和构造要求; 而当外墙配筋满足承载力计算时, 却不一定满足最大裂缝宽度允许值要求。
参考文献：
[1] 夏卓文．高层建筑结构设计特点与剪力墙设计[J]．住宅科技．，2007,2：29～32
[2] 容柏生，国内高层建筑结构设计的若干新进展[J] 建筑结构，2007，(9)
关键词：高层建筑结构设计特点要点
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
随着高层建筑的迅速发展, 建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展，因而相应的结构形式也复杂多样。能够满足高层建筑的形式、 材料、 力学分析模型日趋复杂, 结构体系更加多样化,高层建筑的结构设计成为结构工程师设计工作的重点和难点。
一、高层建筑结构设计特点
1、水平荷载成为决定性因素
高层建筑自身重量和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，与建筑物高度成正比关系；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与建筑物高度的二次方成正比；此外，对某一定高度建筑物而言，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的变化。
2、轴向变形不容忽视
高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形， 从而会对连续梁弯矩产生影响， 造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响， 要求根据轴向变形计算值， 对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较， 会得出偏于不安全的结果。
3、侧移成为控制指标
与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
4、结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使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。
二、高层建筑结构设计要点
1、注意结构的延性, 防止截面钢筋超配
（1）要使高层建筑在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力, 最理想的办法是使结构中所有的构件都具有很高的延性。然而在实际工程中很难完全做到这一点, 比较经济的办法是有选择有重点的提高结构中重要构件的延性。在结构竖向, 对于刚度沿高度均匀分布的、体形较简单的高层建筑, 应着重提高底层构件的延性; 对于大底盘高层建筑, 应着重提高主楼与裙房顶面相衔接的楼层中构件的延性; 对于不规则立面的高层建筑, 应着重加强体形突变处楼层构件的延性。在结构平面位置上, 应该着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处构件的延性; 对偏心结构, 应加大房屋周边特别是刚度较弱一侧构件的延性; 对具有多道抗震防线抗侧力构件, 应着重提高第一道抗震防线构件的延性。
（2）要使结构能进入弹塑性状态, 并能通过结构的塑性变形吸收地震能量、抗御更高烈度的地震, 就必须做到“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”, 才能使结构在进入弹塑性状态后形成合理的延性较大的屈服机制。在强震作用下, 结构的内力是按照各构件的实际承载力进行分配的, 而构件实际承载力的大小和构件截面的实际配筋有关。值得注意的一个问题是, 在实际设计时, 对某些构件的配筋进行放大调整, 形成了强梁弱柱、强杆件弱节点的不利情况, 这样做的结果可以保证构件小震不坏, 但是因为没有形成延性结构就不能保证大震不倒。因此在设计工作中, 必须注意构件截面纵向钢筋的超配现象, 同时也要注意材料的超强问题。
2、注意高层建筑的整体稳定性
对高层建筑来说, 在抗震设计中, 房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。
（1）对整个建筑进行抗倾覆稳定性验算, 使地震作用下的倾覆力矩与相应的重力荷载在基础与地基交界面上的合力作用点, 不应超出力矩作用方向抗倾覆构件基础边长的1/4。
（2）加大建筑物下部几层的宽度, 使其满足规范高宽比的限值, 从而保证上部结构的稳定。
（3）使基础有足够的埋置深度。有些裙楼和高层主楼从地上到地下用变形缝彻底分开, 导致主楼基础埋深不够, 地震时会使建筑物发生滑移、整体倾斜甚至倾覆。
（4）对于高宽比很大的高层建筑, 建议采用桩基础, 桩基础钢筋在承台内的锚固长度要足够大。因为桩是埋在土中的细长构件, 由于桩土摩擦力的存在, 桩的抗拔性能较好, 从而能很好地抵抗上部结构的倾覆。避免采用天然地基或复合地基上的浅基础。
3、关于框架柱截面大小的选择
（1）对于框架柱来讲, 轴压比越小, 在往复水平荷载作用下其滞回曲线越丰满, 其耗能能力越大、延性越好; 相反对于短柱, 在往复水平荷载作用下其滞回曲線呈较瘦的反S 形, 耗能能力降低、延性较差,呈剪切破坏。对高层建筑的底部柱而言, 为了满足轴压比限值的要求,将柱截面取得很大, 但是由于层高的限制, 就使得框架柱成为短柱。在实际工程设计中, 常采用以下几种措施:
①框架柱的截面首先要满足规范轴压比的要求;
②采用高强混凝土、钢管混凝土柱;
③使柱的轴压比满足规范限制要求。所以采取上述措施, 并符合强柱弱梁、强剪弱弯的原则后, 底层框架柱在地震时是能做到不发生剪切破坏的。
（2）同一楼层中各柱要尽量等刚度。地震震害表明, 长短柱共存时, 很容易因构件刚度及受力大小悬殊而各个击破, 先后依次破坏。
（3）在框架体系或框筒体系中, 角柱的受力要比其它柱差。这是因为:
①在双向刚接框架中, 角柱沿纵横两个方向都是单边有梁, 即在重力荷载作用下, 角柱已处于双向受弯状态;
②在高层建筑中, 水平荷载引起较大的倾覆力矩, 框架整体弯曲时, 使角柱所受的附加轴力最大;
③结构的质心与刚心不可能完全重合, 在结构的扭转振动过程中, 角柱的相对侧移最大, 因此为了防止角柱的斜向压弯及扭转破坏, 不能使柱截面太小, 同时要特别注意箍筋的加密, 增加箍筋对受压区混凝土的约束作用。但是不必刻意将角柱的截面增大。
4、关于剪力墙设计
（1）钢筋混凝土抗震墙的延性和破坏形态与墙体的高宽比和超静定次数密切相关。
①为了提高抗震墙的变形能力, 避免发生剪切破坏, 对于一道截面较长的抗震墙, 应该利用洞口设置弱连梁, 使墙体分为小开口墙、多肢墙或单肢墙, 并使每个墙段的高宽比不小于2。所谓弱连梁, 是指在地震作用下各层连梁的总约束弯矩不大于该墙段总地震弯矩的20%; 连梁不能太强, 以免水平地震作用下某个墙肢出现全截面受拉,这是比较危险的。但是, 考虑到耗能, 连梁又不能太弱, 连梁弱到成为一般小梁时, 墙肢就变成单肢墙, 而单肢墙的延性很差, 仅为多肢墙的一半, 且单肢墙仅具有一道抗震防线, 超静定次数少, 在地震作用下是很不利的。
②在实际设计中, 对连梁的刚度都要进行折减, 这是因为剪力墙的刚度一般都很大, 在水平力作用下, 剪力墙中的连梁会因为很大的内力而超过截面允许值, 可靠的办法是让这些连梁先屈服, 要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏, 连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求, 对连梁的刚度进行折减实际上就是降低其抗弯能力。
（2）规范规定, 剪力墙在端部应设置暗柱、端柱等边缘构件。这些边缘构件的作用相当于砖混结构的约束柱, 当结构的刚度较小, 地震作用下层间位移和顶点位移较大时, 边缘构件所起的作用也就越大,此时暗柱的截面和配筋就应加大。
5、地下室外墙的设计方法
在一般情况下, 地下室外墙所承受的主要荷载为结构自重、地面活载、侧向土压力等。在已建成的高层建筑中, 地下室外墙的墙厚和配筋相差很大, 在结构可靠与经济之间选择一个合理的平衡, 是一个值得探讨的课题。地下室外墙的受力状况与上部结构类型及平面布置有很大关系。当上部结构为框架结构时, 上部填充砌体及±0.00 楼板对地下室外墙顶端的约束程度很小, 此时可假定墙体顶端为铰接。当上部结构为钢筋混凝土剪力墙结构时, 剪力墙及±0.00 楼板对地下室外墙顶部的约束程度很大, 此时可假定墙壁顶端为固接。基础的刚度一般远大于墙体刚度, 所以墙的下端一般视为固定端。在实际情况中, 考虑到边界条件不十分明确, 为安全起见, 可对同一边界采用两种不同的假设, 如按端部固定计算墙端弯矩, 按端部铰接计算墙跨中弯矩。一般来讲, 当上部结构为框架时, 地下室外墙的墙厚和配筋要大些; 当上部结构为剪力墙时, 由于正压应力的存在, 墙体厚度和配筋相对要小些。计算表明, 外墙壁配筋满足裂缝宽度要求后, 一般能同时满足承载力计算和构造要求; 而当外墙配筋满足承载力计算时, 却不一定满足最大裂缝宽度允许值要求。
参考文献：
[1] 夏卓文．高层建筑结构设计特点与剪力墙设计[J]．住宅科技．，2007,2：29～32
[2] 容柏生，国内高层建筑结构设计的若干新进展[J] 建筑结构，2007，(9)