关于高层建筑结构设计几个问题的探讨

薛永军

摘要：本文首先分析了地下室对于高层建筑埋深问题的重要作用，然后探讨了地下室顶板作为结构底部嵌固层的要求、建筑结构不规则性界定和房屋高宽比、框架结构梁柱偏心距与剪力墙的开洞、提高短柱抗震性能的应对措施及悬挑梁高度对抗震性能的影响等几个关键问题，具有较强的实用性和价值性，供借鉴参考。

关键词：高层建筑；结构设计；问题

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

1 地下室对于高层建筑埋深问题的重要作用

高层建筑一般都会设地下室来满足埋深的要求，主要是有以下几点作用： 地下室对于高层建筑埋深问题方面主要有一下几点作用：

1. 1 提高地基承载力

高层建筑采用天然地基时，地基承载力可以进行修正。随着基础埋深的不断增加，修正后的地基承载力也随之增大，这样就可满足高层建筑对地基承载力的要求。

1. 2 有利于高层建筑上部结构的整体稳定

高层建筑地下室外墙一般采用钢筋混凝土墙，地下室顶板厚不宜小于 160mm，地下室具有较大的层间刚度，同时地下室外墙周边土也提供了很大的侧向刚度和约束。因此设地下室有利于上部结构的整体稳定，有利于协调结构整体变形，调整地基不均与沉降。基础应该要有一定的埋深，埋置深度可以从室外地坪一直算到基础底面，对于独立的高层建筑而言，基础埋深比较容易确定，但当今多数高层建筑与地下车库都是相互连接的，当地下车库基础采用筏板基础或设有防水底板的独立基础时—防水底板不宜太薄，高层建筑的基础埋深可从室外地坪算起，此时高层建筑地下室顶板及地下车库顶板应按嵌固层要求设计，地下车库应有足够的侧向刚度作为高层建筑的侧限。假如不满足以上条件的时候，高层建筑的基础埋深应该要从地下车库地面算起。

2 地下室顶板作为结构底部嵌固层的要求

当地下室顶板作为结构底部嵌固层的时候，应该要能约束结构底部的平动和转动，故必须要满足下列条件：

( 1) 地下室顶板与室外高差不宜过大，宜小于 1/3 层高。

( 2) 地下室的楼层剪切刚度不小于相邻上部结构楼层剪切刚度的 2 倍。这里需指出的是，高规 4. 8. 5 条规定，抗震设计的高层建筑当地下室顶板作为上部结构的嵌固层时，地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的 1. 1 倍。规范规定此条的目的是保证柱端塑性铰出现在地下室顶部柱端。由于地下结构的地震、作用效应较小，即使在地下室柱与地上一层柱配筋相同时，柱端塑性铰通常也出现在地下室顶部。按规范规定增大地下室柱配筋时，往往使得柱钢筋较密，不便施工。

3 建筑结构不规则性界定和房屋高宽比问题

建筑结构不规则性除应按高规 4. 3 与 4. 4 节的相关规定界定外，还需注意以下问题：

( 1) 计算结构构件的最大位移比时应按刚性楼板假定。

( 2) 当结构的位移比和周期比超规范规定时，说明结构的抗扭刚度相对结构的抗侧刚度偏小，结构的扭转效应较大。在结构抗侧刚度较大，结构的层间位移满足要求的情况下，可减小结构的抗侧刚度，对楼层中部结构做减法，可取消、减短、减薄剪力墙，减小连梁高度等。当结构的抗侧刚度较小，侧移较大时，可对楼层周边结构做加法，可增大周边构件的刚度。对带裙房高层建筑，带裙房部分楼层的位移比和周期比往往超规范规定。由于裙房高度不高，裙房楼层的绝对侧移值很小，因此可不按高层建筑的侧移控制条件来要求裙房，即位移比可适当放宽。

( 3) 对某些建筑，因功能需要，下部几层为大空间，上部为办公或客房，隔墙较多，上下层刚度差别较大，此时刚度变化处的下一层宜指定为薄弱层，进行内力放大调整。房屋高度指室外地面至主楼主要屋面的高度。房屋宽度按所考虑方向的最小投影宽度作为建筑物的计算宽度。对带裙房的高层建筑，当裙房面积与其上塔楼面积比大于 2.5 或裙房抗侧刚度与其上塔楼抗侧刚度比大于 2.0 时，可取裙房以上部分的房屋高度和宽度计算高宽比。

4 框架结构梁柱偏心距与剪力墙的开洞问题

框架结构梁柱偏心较大时，将导致节点核心区受剪面积减小，且梁端弯矩作用在节点上时出现扭矩。因此当梁柱偏心距大于柱截面在该方向宽度的 1/4 时，应采取措施。通常可加大梁宽或设置梁水平腋。当设置梁水平腋时，在梁柱节点处形成了较强的刚域，梁塑性铰将外移。因此梁端箍筋加密区长度应与普通框架梁有所区别，水平加腋梁的梁端箍筋加密区长度应取普通框架梁箍筋加密区长度与加腋水平长度之和。

高规 7.1.5 条规定： “较长的剪力墙宜开设洞口，将其分成长度较为均匀的若干墙段，墙段之间宜采用弱连梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于 2，墙肢截面高度不宜大于 8m。”此条规定主要基于以下考虑：

( 1) 提高剪力墙的延性，避免脆性破坏。墙段高宽比大于2 时一般为弯曲破坏，墙段高宽比小于 2 时一般为剪切破坏。

( 2) 避免单片剪力墙承担过大的水平剪力而首先破坏，使得整个结构抗侧力构件依次破坏。在某些工程设计中，设计人员往往将较长的剪力墙开结构洞，洞口较小，形不成弱连梁，此时的剪力墙为小开口剪力墙，仍具有很大的侧向刚度，承担的水平力很大，造成剪切脆性破坏。因此开结构洞时一定要开大洞，形成弱连梁，连梁跨高比宜大于 6 使得较长剪力墙开洞后形成两个较独立的墙肢。

5 提高短柱抗震性能的应对措施

高层建筑抗震工作一直建筑设计和施工的重点，概述高层建筑的发展，对建筑抗震进行必要的理论分析，从而来探索高层建筑的设计理念、方法，从而采取必需的抗震措施。有抗震设防要求的高层建筑除应满足强度、刚度要求外，还要满足延性的要求。钢筋混凝土材料本身自重较大，所以对于高层建筑的底层柱，随着建筑物高度的增加，其所承担的轴力不断增加，而抗震设计对结构构件有明确的延性要求，在层高一定的情况下，提高延性就要将轴压比控制在一定的范围内而不能过大，这样则必然导致柱截面的增大，从而形成短柱，甚至成为剪跨比小于 1. 5 的超短柱。众所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱几乎没有延性，在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时，很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌。混凝土短柱的延性主要受轴压比的影响，同时配箍率、箍筋的形式对混凝土短柱的影响也很大。高层混凝土结构短柱，特别是结构低层的混凝土短柱，其轴压比很大，破坏时呈脆性破坏，其塑性变形能力很小。提高混凝土短柱的抗震性能，主要也就是提高混凝土短柱的延性。

6 悬挑梁高度对抗震性能的影响

现在，基本上建筑结构设计师会经常忽略对梁挠度的计算。梁高选用比较小，造成梁截面的受压区的应力过高，在正常的使用状态之下，梁截面的受压区产生非线性徐变。伴随着时间的推移，梁挠度渐渐加大。挑梁的变形导致了梁板裂缝，由于挑梁变形的不断扩大，裂缝的宽度也随之加宽，这样就直接影响了建筑物的正常使用情况。即挑梁变形进一步发展，梁支座截面上部受拉区经常会出现跨比较大的竖向裂缝。受支座附近的剪弯作用影响，竖向的裂缝不断向下延伸成为斜裂缝，这个时候梁已经接近毁坏。裂缝在梁支的座位置斜向延伸，缝越靠上宽度越大。挑梁截面过于窄小对建筑结构的抗震效果影响很大。悬挑结构对非水平地震的作用极为敏感。当梁高相对而言较小时，梁截面对应的受压区高度也是比较大的，但梁的延性是比较小的，在竖向地震作用力之下容易产生断裂，从而失去了原有的承载力。

7 结束语

目前，幢幢高楼拔地而起，建筑高度的日益增加，建筑类型以及功能也日新月异，难度相对而言逐渐变大。结构体系多种多样，高层建筑结构设计现在主要成为结构设计人员在设计工作中的重点与难点。

参考文献：

［1］徐宜，丁勇春. 高层建筑结构抗震分析和设计的探讨［J］.江苏建筑，2009（11）

［2］傅学怡. 实用高层建筑结构设计［M］. 北京： 中国建筑工业出版社，2009.

［3］丰定国，王社良. 抗震结构设计［M］. 武汉： 武汉理工大学出版社，2003.