高层住宅建筑结构设计需关注的几个问题

随着我国城市建设用地日趋紧张，城市居民住宅向中高层方向发展，与之相适应的结构形式也取得了许多新的成果。在高层住宅的开发建设中，结构设计是相当重要的一个环节，它与规划、建筑、设备和施工等专业紧密相联。同时时代的发展，建筑风格的变化多样，又给高层住宅结构设计提出了新的课题和新的挑战，高层建筑结构设计也越来越成为结构设计工作的重点和难点。

1.高层建筑结构体系

高层建筑结构的结构型式繁多，框架、剪力墙、框架-剪力墙结构体系是高层钢筋混凝土建筑结构中较为传统的、广为应用的结构体系。随着层数和建筑高度增加，利用结构空间作用，又发展了框架-筒体结构、筒中筒结构、多筒结构和巨型结构等多种结构体系。

2.高层住宅建筑结构设计的特点

水平荷载起控制作用，侧面位移必须加以限制，轴向变形在侧移中占有很大的份额，所以在结构体系选型时应充分考虑这几个特点。对于低层、多层或高层建筑，其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的。但随着高度的增加，由于以下两个原因，竖向结构体系成为设计的控制因素：一个是较大的竖向和要求有较大的柱、墙和井筒；另一个更重要的原因是，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多，高层建筑结构设计人员必须以精心设计来保证。

3.高层住宅建筑结构选型设计原则

3.1 功能适应性原则

不同功能的建筑，往往具有不同的功能空间特征；不同的结构体系型式，并能够提供不同的空间布置；不同的内部空间特征又要求不同的结构与其相适应。

3.2 高度合理性原则

不同的结构体系往往具有不同的力学特征和整体性能，也有其整体综合性能得到较好发挥的高度适应范围。

3.3 场地适应性原则

主要是做好建筑地的防震措施。

3.4 空间整体性原则

建筑结构系统是一个由多个子结构及其若干组成构件组成的空间结构体系。一个结构的抗震能力不仅取决于各子结构及相应构件强度、刚度、延件及其受力状态，而更主要地取决于保证这些子结构、构件能协同工作的能力或空间整体性。

3.5 施工方便性原则

不同的结构型式决定着结构的施工工艺、施工难度、施工工期及可能的施工质量。

3.6 经济有效性原则

建筑结构的经济性就是只以较少的成本来获得最大的效用。还体现在建筑空间组织、利用的高效化方面。坚持对平面面积的充分利用，还注重三维空间的挖掘。

4 高层住宅建筑结构关键设计

4.1 框架结构

4.1.1 基础系梁的设置问题。如果基础埋置深度较深时，可以用基础系梁减少底层柱的计算长度，在±0.00以下设置系梁，此时系梁宜按一层框架梁进行设计，同时系梁以下的柱应按短柱处理。如不设置基础系梁，填充墙可以采用素混凝土条形基础；如设置基础拉梁，宜在框架柱之间设置，对于不在框架柱之间的墙体基础可采用素混凝土基础。

4.1.2 框架结构薄弱层的判定与处理。薄弱层是对抗震极为不利的结构层，原则上应避免出现薄弱层。避免出现薄弱层的最基本方法是加大该层的抗侧移刚度，即加大该层的柱截面或梁截面；如果条件允许，可以改变该层层高或减少基础埋置深度。当无法避免出现薄弱层时，在结构计算和出图时必须按照规范规定采取相应的措施。

4.1.3 短柱问题。在框架结构中，如果柱净高与柱截面高度之比≤4或剪跨比≤2，那么该柱为短柱。短柱在地震作用下，容易发生脆性破坏。处理短柱主要是增加柱的抗剪承载力及改善其变形能力，一般采用复合箍筋，箍筋沿全高加密；保证短柱的纵向钢筋对称布置，且每侧的纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%的方式处理，也可以采用外包钢板、配X形钢筋等方式处理。

4.2 剪力墙结构

剪力墙是一种有效的抗侧力构件，剪力墙结构体系、框架剪力墙结构体系、筒体结构体系中，剪力墙都是作为主要的承重结构单元，因此，剪力墙的截面设计是高层混凝土结构设计的重要部分。在地震区剪力墙除保证有足够的承载力外，还要保证有足够的延性，以提高整个结构的耗能能力，改善结构的抗震性能。在剪力墙墙肢截面设计时，当纵横向剪力墙连成整体共向工作时，可将纵墙的一部分作为横墙的翼缘加以考虑。同时也可将横墙的一部分作为纵墙的翼缘予以考虑。在框架剪力墙结构中，剪力墙常常和梁柱连一体，形成带边框剪力墙。因此，剪力城墙肢常常按矩形截面、T形截面或工字形截面进行设计。在剪力墙中一般需要配置竖向钢筋来抵抗弯矩，配置水平钢筋来抵抗剪力的配筋形式基本上同框架梁。剪力墙结构往往应用于住宅和旅馆客房开间较小、墙体较多的建筑中。

4.3 框架剪力墙结构

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。框架剪力墙结构体系是把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系。这种结构既具有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力。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。

4.4 筒体结构

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体-框架、筒中筒、成束筒等多种形式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。筒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。

以筒体-框架结构为例。核心筒应具有良好的整体性，墙肢宜均匀、对称布置，筒体角部附近不宜开洞，当不可避免时，筒角内壁至洞口应保持一段距离，以便设置边缘构件，其值不应小于500mm和开洞墙的厚度；核心筒外墒的截面焊度不应小于层高的1/20及200mm，对一、二级抗震设计的底部加强部位不宜小于层向的1/16及200mm，当厚度不能满足上述要求时，应通过稳定验算，必要时增设扶壁墙；在满足承载力要求，以及轴压比限值时，核心筒内墙可适当减薄，但不应小于160mm。

4.5 强调“三强三弱”

为体现抗震概念设计思想，按照建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)要求应实现“强柱弱梁、强剪弱弯、强节弱杆”，使其具有较好的变形能力。规范虽然列出了许多具体核算公式，但由于种种原因目前普遍作法是将梁超计算配筋或加大截面而柱筋及截面不变，这就很难保证“强柱弱梁”实现而且实际结构中转换层、刚性层太梁以及楼板的存在，要真正实现“强柱弱梁”的概念很困难；设计中局部尺寸或荷载有改变时，设计人员都习惯于大幅度增加纵筋而不改善箍筋，则很难保证“强剪弱弯”；设计人员往往对构件进行大量计算，增强构件，而对节点不过细考虑，施工时节点区缺少箍筋甚至无箍筋的情况非常普遍。因此，要使“三强三弱”概念得以实现，首先应对规范目前核算公式改进使其实用，如采用“实配增大系数法”来保证，否则公式概念虽然正确但因不易操作不实用，而成为虚设；其次，设计人员应认识到“三强三弱”概念在抗震设计中的重要性，精心设计使所设计的结构具有良好的抗震能力。

4.6 建筑物的地基

为防止或减少由于地基沉降或不均匀沉降引起的构件开裂或破坏，可以从建筑措施、结构措施、地基和基础措施方面加以控制。诸如：避免采用建筑平面形状复杂、阴角多的平面布置；避免立面体形变化过大；将体形复杂、荷载和高低差异大的建筑物分成若干个单元；加强上部结构和基础的刚度；同一建筑物尽量采用同一类型基础并埋置于同一土层中等一系列措施。一般对于高层建筑来说，由于需要一定的埋置深度，从经济的角度考虑，基础一般采用桩箱或桩筏结合的形式。此时应保证箱体的整体刚度，群桩布置的形心应与上部结构重心相吻合。当土层有较大起伏时，应使用同一建筑结构下的桩端位于同一土层中，并应考虑可能产生的液化影响。

4.7 材料的选择

在高层建筑中，根据现在我国建筑钢材的类型、品种和钢结构的加工制造能力，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，为减小风振，钢骨(钢管)混凝土通常作为首选。采用格构式的型钢时，震害严重，采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的，则震害要减少许多。

5 结束语

随着城市化进程的不断加快，城市建设用地越来越紧张，为提高用地效率，城市住宅建筑大多朝向高层和超高层发展，这也为建筑的结构设计提出了更高的要求。因而我们广大建筑设计人员应熟悉相关建筑设计规范、标准条文，熟练掌握高层建筑结构设计的相关要点，合理选择建筑结构体系，做好结构设计的计算和优化，提高建筑的结构安全性，降低设计和建造成本，为社会创造出更多的高层建筑精品。