浅谈高层建筑中的结构设计

　　浅摘要：随着高层建筑在我国的迅速发展,建筑高度的不断增加,建筑类型与功能的愈来愈复杂,结构体系的更加多样化,高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。本文就高层建筑结构的设计要点
　　关键词：高层建筑；设计特点；结构体系；结构分析
　　前言：
　　随着高层建筑越来越普及,建筑高度的不断增加,建筑类型与功能也越来越复杂,高层建筑结构设计便成为结构工程师设计工作的重点和难点。如果高层建筑结构概念设计不清,造成结构布置不合理,不仅造成大量人力和物力的浪费,更重要的是给高层建筑留下了结构质量的安全隐患。为了避免在结构设计过程中出现或少出现这些问题,高层建筑结构概念设计就显得尤为重要。
　　一．高层建筑结构设计特点
　　1．结构内力与变形
　　随着建筑物高度的增加,水平荷载作用下的结构侧向变形迅速增大,结构顶点侧移与建筑物高度的四次方成正比。所以对于高层建筑,结构侧移已成为设计中的关键因素,这是因为:
　　（1)高层建筑的使用功能和安全与结构侧移的大小密切相关。结构在阵风作用下的振动加速度超过0.015g时,就会影响楼房内使用人员的正常工作与生活,而振动加速度的大小与侧移幅值的大小有关。
　　（2)过大的侧向变形会使高层建筑的隔墙、围护墙以及饰面材料开裂或损坏。
　　（3)高楼的重心位置较高,过大的侧移会使P-△效应产生较大的附加应力,甚至因侧移与应力的恶性循环而导致建筑物破坏。由此可见,在高层建筑结构设计时,不仅要求结构具有足够的强度,还要求结构具有足够的抗推刚度,使结构在水平、荷载作用下产生的侧移被控制在要求的限度之内。在高层建筑中,由于层数多、荷载大,柱的轴向变形也大,而在各柱间产生差异轴向变形,将使梁中的弯矩增大,因此在结构分析时必须考虑柱的轴向变形,这也是与一般建筑结构分析的不同之处。
　　2．高层建筑结构的刚性与柔性
　　多层和高层建筑结构都要抵抗竖向及水平荷载作用,但是在高层建筑中,要使用更多的材料来抵抗水平作用,抗侧力成为高层建筑结构设计的主要问题。在地震区,地震作用对高层建筑的威胁更大,地震灾害将会给人民的生命财产造成巨大损失,所以抗震设计必须更加重视。
　　在高层建筑结构抗震理论和设计方法的发展过程中,存在着结构刚与柔的争议,有的认为结构柔一些好,因为从抗震规范规定的地震反应谱曲线可以清楚地看出,场地确定后,结构愈柔,自振周期愈长,地震影响系数α越小,结构所受到的地震作用就愈小,因此在结构抗震设计时,可将结构设计得柔一些,以减小作用于结构上的地震力,从而可以用较少的材料,抗御较强的地震,既合理又经济。但有的则认为地震区的高层建筑结构应该刚一些,使结构具有较大的承载能力,可以抵抗较强的地震,而且非结构部件的连接构造简单,又不易破坏。从过去的地震经验也可以看出,对于一般构造的高层建筑结构,刚比柔好,刚性结构破坏较轻,而且由于地震时的结构变形小,隔墙、围护墙及装饰等非结构部件将得到保护,破坏也会减轻。对于柔性结构,由于地震时将产生较大的层间侧移,不但主体结构破坏较重,非结构部件也将大量遭到破坏,造成很大经济损失,甚至有时还会危及人身安全,所以高层建筑结构应采用刚度较大的抗侧力体系。
　　二．高层建筑的结构体系
　　1．剪力墙体系
　　当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时,即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中,单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构,其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高,有一定的延性,传力直接均匀,整体性好,抗倒塌能力强,是一种良好的结构体系,能建高度大于框架或框架—剪力墙体系。
　　2.框架—剪力墙体系
　　当框架体系的强度和刚度不能满足要求时,往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架,便形成了框架—剪力墙体系。在承受水平力时,框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平剪力。框架—剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置,增大了结构的侧向刚度,使建筑物的水平位移减小,同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀,所以框架—剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。
　　3．简体体系
　　凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系,包括单简体、简体-框架、筒中筒、多束筒等多种型式。简体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体,空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。简体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震能力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。
　　三．高层建筑结构设计应注意的问题
　　1．结构的规则性问题
　　新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动,新规范在这方面增添了相当多的限制条件,例如:平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等,而且,新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此,结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意,以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
　　2．结构的超高问题
　　在抗震规范与高规中,对结构的总高度都有严格的限制,尤其是新规范中针对以前的超高问题,除了将原来的限制高度设定为A级高度的建筑外,增加了B级高度的建筑,因此,必须对结构的该项控制因素严格注意,一旦结构为B级高度建筑或超过了B级高度,其设计方法和处理措施将有较大的变化。在实际工程设计中,出现过由于结构类型的变更而忽略该问题,导致施工图审查时未予通过,必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况,对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。
　　3．嵌固端的设置问题
　　由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防,嵌固端有可能设置在地下室顶板,也有可能设置在人防顶板等位置,因此,在这个问题上,结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面,如:嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题,而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
　　4．短肢剪力墙的设置问题
　　在新规范中,对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙,且根据实验数据和实际经验,对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制,因此,在高层建筑设计中,结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙,以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
　　三．高层建筑结构分析
　　1．弹性假定
　　目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下,结构通常处于弹性工作阶段,这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时,高层建筑结构往往会产生较大的位移,出现裂缝,进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的,应按弹塑性动力分析方法进行设计。
　　2．小变形假定
　　小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题(P-△效应)进行了一些研究。一般认为,当顶点水平位移与建筑物高度H的比值△/H>1/500时,P-△效应的影响就不能忽视了。
　　3．刚性楼板假定
　　许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大,而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度,简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算简体结构提供了条件。一般来说,对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。
　　结束语
　　总之，为了革新高层建筑,体现其魅力,追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是工程师的目标和方向。高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程,任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。
　　参考文献
　　[1]GB50011-2001,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社
　　[2]JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构设计规程[S]北京:中国建筑工业出版社,2002.
　　[3]建筑结构设计资料集.中国建筑工业出版社.