高层结构设计及计算分析研究

郭进平

摘要：通过结合某高层结构设计实例，通过经济性比较分析，提出高层结构设计的要点以及相应的控制参数分

析，同时提出经济性设计措施，采用SATWE有限元软件对该高层结构进行计算分析，计算结果表明所得

到的结构自振特性、层间位移等符合规范要求。

关键词：高层建筑；结构设计；经济性设计；计算分析

中图分类号： TU97 文献标识码：A 文章编号：

Abstract：Through a combination of high-rise structure design example, through economic analysis of high-rise structure, design key points and corresponding control parameter analysis, and puts forward the economic design measures, using SATWE finite element software on the high-rise structure are analyzed, the calculation results show that the structural self-vibration characteristics, interlayer displacement conforms to the specification requirements.

Key Words：Tall building；Structure design；Economic design；Calculation and analysis of

1工程概况

本工程为兴宁新兴房地产有限公司开发的新兴豪庭11楼，工程主体地上30层，地下2层，结构总高度为93,800米，地上部分首层商铺及架空、其余为住宅，地下部分为停车库。结构类型为框支剪力墙结构。本地区100年一遇的基本风压为0.35kN/m2，地面粗糙度类别为C类，风载体型系数1.4。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，水平地震影响系数最大值α为0.04 设计地震分组为第一组。

2高层结构布置要点

2.1结构的初步设计

对于高层建筑所采用框架剪力墙结构体系，其中裙楼以住宅及塔楼电梯间为主核心筒，楼梯间为若干个小型剪力墙筒体，其余位置布置框架柱，柱距7.2～9.8m。通过调整筒体剪力墙厚度和增减剪力墙数量，使主楼的形心与刚心重合，避免结构产生较大的扭转。住宅塔楼为了有效地确保建筑功能，采用框支剪力墙结构，并适当在平面设置结构转换层，住宅上部标准层采用剪力墙结构，剪力墙布置考虑建筑功能，可保证两户打通的需要。本工程地下室不设防震缝，裙楼于住宅塔楼柱外侧设置防震缝一道，兼作温度缝，缝宽300mm。

在设计过程中，合理确定各构件的截面尺寸，使绝大部分构件以合理经济的指标进行设计，如楼板厚度的选择对结构造价影响较大，因此需在设计中以满足强度与刚度要求的情况下选取较小的厚度，同时与各设备专业密切配合，只在局部埋设暗管的部位增加板厚，避免为设计便利而增加构件尺寸的情况。

合理选用基础方案与基坑支护方案，对于高层建筑结构及其带有地下室的情况，由于基础及基坑支护的造价在结构工程中占有很大部分，对工程造价的影响也较大。因此，在设计过程中，应当对高层建筑结构的基础设计与基坑支护设计多方案经济比较，从而选取较为经济的方案进行设计。

2.2结构设计的参数控制

高层结构设计的难点在于竖向承重构件（柱、剪力墙等）的合理布置，设计过程中主要通过对一些目标参数的控制来达到这一目的。

（1）轴压比主要为限制结构的轴压比，保证结构的延性要求，规范对墙肢和柱均有相应限值要求。轴压比不满足规范要求，结构的延性要求无法保证；轴压比过小，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少相应墙、柱的截面面积。

（2）剪重比主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全。剪重比不满足规范要求，说明结构的刚度相对于水平地震剪力过小；但剪重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。

（3）刚重比规范上限主要用于确定重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应是否可以忽略不计。刚重比不满足规范上限要求，说明重力二阶效应的影响较大，应该予以考虑。规范下限主要是控制重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应不致过大，避免结构的失稳倒塌。刚重比不满足规范下限要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小。但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。

（4）层间位移角主要为限制结构在正常使用条件下的水平位移，确保高层结构应具备的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求。见高规 4.6.1、4.6.2和4.6.3及相应的条文说明。层间位移角不满足规范要求，说明结构的上述要求无法得到满足。但层间位移角过分小，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。

由于高层结构在水平力的作用下将不可避免地发生扭转，所以符合刚性楼板假定的高层结构的最大层间位移往往出现在结构的边角部位，因此应注意加强结构外围对应位置抗侧力构件的刚度，减小结构的侧移变形。同时在设计中，应在构造措施上对楼板的刚度予以保证。可利用程序的节点搜索功能在SATWE的“分析结果图形和文本显示”中的“各层配筋构件编号简图”中快速找到层间位移角超过规范限值的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度。

（5）位移比主要为限制结构平面布置的不规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。对于位移比（包括层间位移比，下同）不满足规范要求，说明结构的刚心偏离质心的距离较大，扭转效应过大，结构抗侧力构件布置不合理。

由于位移比是在刚性楼板假定下计算的，结构最大水平位移与层间位移往往出现在结构的边角部位；因此应注意调整结构外围对应位置抗侧力构件的刚度，减小结构刚心与质心的偏心距。同时在设计中，应在构造措施上对楼板的刚度予以保证。

通过工程实践，笔者建议结构设计时值得注意的是，对于类似于框剪结构的组合体系，有个彼此刚度适宜的问题。分析框架的剪切型变形曲线和剪力墙的弯曲型变形曲线，可以发现，在下部楼层，剪力墙的位移较小，框架的位移较大，是剪力墙拉着框架来限制其层间位移角；上部几层则相反，剪力墙的层间位移角逐渐增大，框架的层间位移角逐渐减小，框架反过来拉着剪力墙以限制其层间位移角。显然，通过改变剪力墙的刚度与布置是控制框剪结构的位移和周期的主要手段，所以当框剪结构上部几层的层间位移角较大时，适当削弱这几层的剪力墙刚度应该更为有效。

2.3高层结构设计经济性分析

鉴于高层结构其涉及到构件繁多，而且其受力较为复杂，尤其是风荷载与重力荷载起着决定作用，为此必须对构件材料的选取、经济性以及构件受力方面更加着重考虑。结合本工程设计实践，笔者总结了高层建筑结构设计时可采取的有效设计措施，以确保结构在良好受力的前提下，仍有效地保证工程的经济性。

（1）采用新型轻质墙体材料。高层建筑结构鉴于其重力荷载较大，因此设计时应尽可能地选取轻质材料，如本工程拟采用容重<11kN/m3的轻质墙材作为非承重的分户、分室、厨厕隔墙（机房隔墙除外），控制及减轻建筑物总自重，并由此控制各层楼板和构件钢筋含量。

（2）采用高强度钢筋替换低强度的钢筋，合理采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋。鉴于Ⅲ级钢筋的强度设计值360N/mm2，Ⅱ级钢筋的强度设计值300N/mm2，盘圆钢筋的强度设计值210N/mm2，工程实践表明，当采用二、三级钢筋代替一、二级钢筋用于楼板配筋、梁、柱箍筋，可减小用钢量约20%，有效地节约成本。因此在设计板钢筋及梁柱箍筋中应当合理采用Ⅱ级钢筋，同时在梁柱主筋中合理采用Ⅲ级钢筋，以有效地提高钢筋强度设计值，减少钢筋用量，降低构件最小配筋率或体积配箍率，达到节约工程投资的目的。

（3）采用根据弯矩包络图设计的方法进行梁配筋。由于现在运用的计算机结构计算软件多数采用空间杆系计算方法，计算结果及配筋未考虑框架柱支座宽度的影响。若考虑此影响，框架梁面钢筋的配筋可以适当减少。采用弯矩包络图设计的方法可考虑此因素，同时在钢筋截断位置的确定上可以进一步优化。

2.4结构分析

本工程使用中国建筑科学研究院PK.PMCAD工程部编制的结构分析程序《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》（2004年5月版）对结构进行整体分析。分析中考虑楼板开洞的影响，上部结构与地下室作为一个整体，上部结构的嵌固点位于±0.000；地震作用和风荷载按两个主轴方向作用，同时考虑5%的偶然偏心地震作用下的扭转影响。通过采取上述的结构设计措施，经结构分析，本工程的主要控制参数结果见表1所示，通过结果计算表明，本工程的各项控制参数均满足规范要求，而且经济上表现客观。

表 1主要控制参数

3结 语

本工程为高层结构，通过采取所提出的设计参数控制以及经济性设计措施，有效地确保了本高层结构计算结果符合规范要求，而且经济效果明显，值得为同类工程设计所参考。

参考文献：

[1] 傅汉民．高层结构抗震设计——上海新金桥广场[J]．四川建筑，2004，23(10)：13-18

[2] 施礼德，马心俐．某高层的结构分析设计[J]．广西大学学报(自然科学版) ，2005，17(10)：1-6

[3] 胡侃．某复杂高层结构抗震计算与分析[J]．低温建筑技术，2007，27(10)：36-39

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。