刍议高层建筑砼结构设计

2012-04-10谭志平

城市建设理论研究 2012年6期

谭志平

摘要：全新的混凝土组合结构作为第五种新型建筑结构，充分发挥了钢材和混凝土的材料特性和优点，被广泛应用于高层建筑，本文简单介绍了高层建筑的结构特点，从框架结构的布置原则、结构选型、裂缝问题及抗震设计等几个方面进行了论述，以优化设计。

关键词：高层建筑砼结构设计

Abstract: new concrete structure as the fifth kind of new combination building structure, give full play to the steel and concrete material properties and advantages, which has been widely used in high-rise buildings, this article simply introduces the structure characteristics of the high-rise building, from the frame structure of the layout principle, structural type selection, the crack problem and seismic design and so on several aspects, in order to optimize the design.

Key words: concrete structure design of high-rise building

中图分类号：TU318 文献标识码：A文章编号：

前言

高层建筑的竖向和水平构件的设计同低层及多层建筑的设计没什么区别，但使竖向构件的设计成为高层设计有两个控制性的因素：首先，高层建筑需要较大的柱体墙体和井筒；更重要的是侧向力所产生的倾覆力矩和剪力变形要大的多，必要谨慎设计来保证。

高层建筑的结构特点

1.1结构应具有适宜刚度随着高度的增加，高层建筑的侧向位移迅速增大因此设计高层建筑时，不仅要求结构有足够的强度，而且要求结构有适宜的刚度，使结构有合理的自振频率等动力特性，并使水平力作用下的层位移控制在一定范围之内。

1.2侧向力（风或水平地震作用）成为影响结构内力结构变形及建筑物土建造价的主要因素高层建筑和低层建筑一样，承受自重活载雪载等垂直荷载和风地震等水平力在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，可以忽略不计；在多层结构中，水平荷载的效应（内力和位移）逐渐增大；在高层建筑中，水平荷载和地震力将成为主要的控制因素。

1.3结构应具有良好的延性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建筑结构的耐震主要取决于结构的承载力和变形能力两个因素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，避免高层建筑在大震下倒塌，必须在满足必要强度的前提下，通过优良的概念设计和合理的构造措施，来提高整个结构特别是薄弱层的变形能力，来保证结构具有足够的延性。

2. 高层建筑中常用的结构体系有哪些各有何特点和适用

高层建筑中常用的结构体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体以及它们的组合。

2.1框架结构体系

框架结构体系是由梁、柱构件通过节点连接构成，既承受竖向荷载，也承受水平荷载的结构体系。这种体系适用于多层建筑及高度不大的高层建筑。

框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业室、教室等。需要时，可用隔断分隔成小房间，或拆除隔断改成大房间，因而使用灵活。外墙用非承重构件，可使立面设计灵活多变。

框架结构构件类型少，易于标准化、定型化；可以采用预制构件，也易于采用定型模板而做成现浇结构，有时还可以采用现浇柱及预制梁板的半现浇半预制结构。现浇结构的整体性好，抗震性能好，在地震区应优先采用。

2.2剪力墙结构体系

剪力墙结构体系是利用建筑物墙体承受竖向与水平荷载，并作为建筑物的围护及房间分隔构件的结构体系。

剪力墙在抗震结构中也称抗震墙。它在自身平面内的刚度大、强度高、整体性好，在水平荷载作用下侧向变形小，抗震性能较强。在国内外历次大地震中，剪力墙结构体系表现出良好的抗震性能，且震害较轻。因此，剪力墙结构在非地震区或地震区的高层建筑中都得到了广泛的应用。

2.3框架-剪力墙结构体系

框架-剪力墙结构体系是在框架结构中布置一定数量的剪力墙所组成的结构体系。由于框架结构具有侧向刚度差，水平荷载作用下的变形大，抵抗水平荷载能力较低的缺点，但又具有平面布置较灵活、可获得较大的空间、立面处理易于变化的优点；剪力墙结构则具有强度和刚度大，水平位移小的优点与使用空间受到限制的缺点。将这两种体系结合起来，相互取长补短，可形成一种受力特性较好的结构体系-框架-剪力墙结构体系。剪力墙可以单片分散布置，也可以集中布置。框架-剪力墙结构的刚度和承载力较框架结构都有明显的提高，在水平荷载作用下的层间变形减小，因而减小了非结构构件的破坏。在我国，无论在地震区还是非地震区的高层建筑中，框架-剪力墙结构体系得到了广泛的应用。

2.4筒体结构体系

筒体结构为空间受力体系。筒体的基本形式有三种：实腹筒、框筒及桁架筒。用剪力墙围成的筒体称为实腹筒。在实腹筒的墙体上开出许多规则的窗洞所形成的开孔筒体称为框筒，它实际上是由密排柱和刚度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体。筒体最主要的受力特点是它的空间受力性能。无论哪一种筒体，在水平力作用下都可以看成固定于基础上的箱形悬臂构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有很好的抗扭刚度。因此，该种体系广泛应用于多功能、多用途，层数较多的高层建筑中。

3. 结构平面布置与结构竖向布置有哪些要求

3.1竖向布置

竖向布置宜规则均匀上下变化不大，不要有过大的外挑或内收，除顶层外，局部收进的水平向尺寸不宜大于相邻下一层的，同层柱的尺寸宜相同，框架沿高度方向各层平面柱网尺寸宜相同，或向上逐步减小，做到刚度下大上小，均匀连续，避免刚度突变，避免薄弱层，上下柱子尺寸变化时，应尽量使柱中心对齐，尽量避免某层某柱取消造成结构竖向不规则。

3.2平面布置

必须设计成钢架的抗风荷载和水平地震作用的结构体系，即采用双向钢接梁柱抗侧力体系，主体结构除个别外，不应采用铰接抗震设计的框架结构不易采用单跨框架，应根据建筑的使用功能要求结合受力的合理性方便施工经济等因素，确定柱网的开间和进深，大开间的房屋适用于建筑平面要求有较大空间的房屋，但将增大梁截面的尺寸小柱网梁柱尺寸小。

4. 高层建筑的荷载与地震作用

4.1高层建筑的荷载

高层建筑的荷载作用主要为风荷载效应，这里主要说下动力风效应。确定某一指定建筑物的动力风效应至少需要三方面的信息：一是建筑物所处

的风环境；二是建筑物的气动特性；三是结构物的动力特性。除了以上三方面外，

还需要补充说明两方面：一是邻近建筑物的干扰问题。周围建筑的存在(上风向

和下风向)有可能会明显影响作用于建筑物上的气流特征和尾流的发展，从而影

响作用于建筑物上的气动力和响应。类似的，拟建建筑物的建成会影响邻近的已

建建筑物的适用性和安全性问题。二是风向的影响。现有的规范提供的方法一般

不考虑风向的影响，它们偏安全地假定风从最不利的方向作用于建筑物上。不同

方向的风速的最大值是不同的，建筑物的气动特性也明显依赖于风向，而目前规

范不考虑风向的影响对结构设计而言偏保守，考虑城市主导风向的影响并做相应

的处理会导致更加经济和合理的结构设计。

4.2高层建筑的抗震设计

4.2.1结构刚度、承载力和延性要有合理的匹配

对结构提出了综合抗震能力的概念，就是要综合考虑整个结构的承载力和构造等因素，来衡量结构具有的抵抗地震作用的能力，地震时建筑物所受地震作用的大小与其动力特性密切相关，与其具有合理的刚度和承载力分布以及与之匹配的延性密切相关。

4.2.2抗侧力结构和构件应设计成延性结构或构件

延性是指构件或结构具有承载能力基本不降低的塑性变形能力的一种性能在小震不坏，中震可修，大震不倒的抗震设计原则下，结构应设计成延性结构。当设计成延性结构时，由于塑性变形可以耗散地震能量，结构变形加大，但结构承受的地震作用不会直线上升，也就是说，结构是用它的变形能力在抵抗地震作用，延性结构的构件设计应遵守强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱杆件，强底层柱原则，承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。

4.2.3应重视高层建筑结构的规则性

合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要的，提倡平立面简单对称，因为震害表明，此种类型建筑在地震时较不容易破坏，而且容易估计出其地震反应，易于采取相应的抗震构造措施和进行细部处理。

4.2.4加强薄弱环节

①要防止在局部上加强而忽视整个结构各部位刚度承载力的协调；

②结构在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载力分析是判断薄弱层

的基础；

③在抗震设计中有意识有目的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的主要手段。

5. 高层建筑结构设计要求与计算原则

5.1设计的基本要求

一是截面承载力验算；二是正常使用条件下结构水平位移验算；三是结构稳定与抗颠覆验算；四是结构的延性要求；五是结构的概念设计要求

5.2计算原则（方法）

⑴线弹性分析方法