高层建筑结构设计若干问题的探讨

　　摘要：针对高层框架-剪力墙结构设计的一些问题进行了分析与探讨，为结构设计者提供参考与借鉴。
　　关键词:高层结构，框架-剪力墙结构，结构设计
　　
　　一.高层建筑发展的特点
　　近年来，由于建筑功能和城市规划的需要，加之建设用地的紧张，高层建筑的层数在不断增多。另一方面，层数日渐增多的高层公共建筑为满足不同用户的需要和适应现代社会高效率、快节奏的要求，而发展为高层综合大厦。综合性建筑的发展使平面布置和体型日益复杂；使结构体系日益多样化。特别是框架一剪力墒结构广泛用于办公和公共建筑，也大量应用于高层旅馆建筑。它主要由框架构成自由灵活的使用空间，容易满足不同建筑功能的要求，同时又有足够的剪力墙作为抗侧构件，具有较大的刚度，从而使得框剪结构具有较强的抗震能力，也大大减少了结构侧移，避免砌体填充墙在地震时严重破坏和倒塌。本文针对框架-剪力墙结构在平时设计时的一些问题总结出来予以探讨。
　　二.框架-剪力墙结构设计的几个问题
　　1.合理的剪力墙布置和剪力墙的合理数量
　　1.1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值大约在下表范围之内。
　　底层结构截面面积与楼面面积之比
　　                　　
　　层数多，高度大的框架一剪力墙结构，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。
　　1.2剪力墙的布置
　　1.框架-剪力墙结构中的剪力墙是抗震抗风的主要结构。应沿各主轴方向布置，剪力墙应在纵横两个方向同时布置，并使两个方向的自振周期比较接近。剪力墙的一般布置原则是：均匀、分散、对称、周边。均匀、分散是要求剪力墙的片数多，每片的刚度不要太大，避免地震作用集中在一两片墙上。墙受的力太大，截面设计困难，对称、周边布置是对高层建筑抵抗扭转的要求。
　　2.一般情况下，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，柱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.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。
　　3.框架-剪力墙结构中框架剪力墙的调整
　　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-剪力墙结构中，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，必须予于适当的调整，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。
　　4.施工模拟问题
　　高层建筑的竖向荷载绝大部分是结构自重，而结构的自重是在施工过程中分层施加的，因而柱和剪力墙已在施工过程中逐渐完成了轴向变形，这就有了模拟施工的计算方法；但是，建筑物开始使用后，竖向荷载全部加上长期作用。由于柱子轴压比大，徐变变形明显大于剪力墙，所以内力又重新调整，情况又趋向一次加载的计算结果。所以在设计时仅对顶部楼层配筋异常的梁用两种计算结果进行了调整，加大与柱相连梁端负钢筋，减小与剪力墙相连一侧负钢筋。
　　5计算结果的大致判断
　　5.1正确对待结构计算软件的分析结果
　　《抗震规范》2.6.6条规定：“所有计算机计算结果，应经分析判断确认其合理、有效后方可用于工程设计。”计算分析是根据结构的力学模型进行的，采用简化的荷载和简化的模型；各类荷载的确定、材料弹性和弹塑性参数的假定；计算模型与实际结构的差异和分析过程的误差，都会造成计算结果的误差。因此设计人员必须清醒地认识到，电算分析只有更合理的模型和结果，没有绝对正确的结果，必须正确处理人与计算机的关系。完成复杂的结构设计任务，设计人员需要借助计算机以提高计算效率，但不能单纯依赖计算机，要清楚计算模型的假定和适用条件，对计算结果判断校核合理有效后，方可用予工程设计。
　　5.2判断电算结果的合理性
　　5.2.1对总体结构的分析判断
　　1)所选软件是否适用，使用是否恰当，是否满足软件假定，软件参数设置是否合理；结构振型、周期、位移等参数的形态和量值是否合理；结构地震作用沿结构高度的分布是否合理；有效参与质量和楼层地震剪力的大小是否符合最小值要求。2)总体和局部的力学平衡条件是否满足。3)对复杂结构应采用多模型分析，避免单一计算模型带来的模型差错。
　　5.2.2对局部构件的分析判断
　　截面尺寸是否满足应力控制要求，配筋是否超筋；受力复杂的构件，其内力和应力分布是否与力学概念、工程经验一致，是否采取了有效的加强措施；构件的内力和配筋是否满足规范抗震措施的要求。
　　三、结束语
　　总之，结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。设计人员要从一个个基本的构件算起，做到知其所以然，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计，在工作中应事无巨细，善于反思和总结工作中的经验和教训。
　　
　　参考文献
　　[1]建筑抗震设计设计规范(GB50011-2001)．
　　[2]混凝土结构设计规范(GB50010-2002)．
　　[3]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）
　　[4]姜学诗.剪力墙结构设计中有关问题的探讨[J].建筑结构.2003