某高层建筑结构设计及相关问题探讨

王堂锐，李红远，张胜利

（广西工学院鹿山学院，广西柳州545001）

某高层建筑结构设计及相关问题探讨

王堂锐，李红远，张胜利

（广西工学院鹿山学院，广西柳州545001）

该文通过对某住宅楼的设计，选出合理的结构布置及计算参数，并对设计参数和设计指标进行了分析，提出针对几个设计参数的一些调整措施，使结构满足安全、经济的设计要求。

结构选型；结构设计；框架结构；剪力墙结构；周期比；位移比；刚度比；剪重比

随着城市化发展以及建筑用地的紧张，高层建筑也日益增多。高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性。本文对高层建筑结构设计中的几个问题进行探讨。

1 工程概况

江苏省镇江市丹徒区某高层商住两用楼建筑总高度为119.2m，为B级高度，建筑共计39层，地下部分为带人防地下车库，地上4层作为商业使用，5层为架空层，6层以上为复式结构住宅。

2 结构体系的选择

在高层建筑中，抵抗水平力是设计的主要矛盾，因此抗侧力结构体系的确定和设计成为结构设计的关键问题。采用钢筋混凝土结构的高层建筑主要包括框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构等几种常见的结构体系。

在剪力墙结构体系中，剪力墙作为承重构件不仅承受竖向荷载和风产生的水平荷载，还需要具备抵抗地震作用的能力。剪力墙沿横向和纵向正交布置或斜交布置，它的主要特点是刚度大、用钢量少、空间整体性好。在高层住宅中，由于房间面积一般不大，而且分隔墙较多，用户对建筑没有大空间的要求，可以将剪力墙与分隔墙合二为一，降低了建筑物的造价，节约成本。同时剪力墙可以隐藏在填充墙中，使房间不露梁柱，使建筑达到很好的整体美观效果。因此，剪力墙结构受到开发商和业主的广泛欢迎，使得该结构体系在高层住宅中得以广泛应用。

本工程场地土类别II类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第2组，剪力墙抗震等级为2级。由于本工程在地震作用下结构反应比较强烈，所以本工程采用剪力墙结构。

3 结构计算分析

3.1 结构弹性静力分析

采用PKPM有限元软件进行结构在地震作用下的弹性静力分析。计算时假定楼板为刚性板，采用振型分解反应谱法计算地震作用，考虑两个方向水平地震作用对偶然偏心影响。

3.2 设计指标的分析

3.2.1 周期比

周期比主要控制结构的扭转效应。通过计算出的周期比就可以评价结构抗侧力构件的平面布置是否合理，防止扭转对结构产生过大的不利影响。

目前，规范没有给出周期具体计算方法，只在《荷载规范》中给出经验公式，可以取T1=（0.05-0.10)n作为高层建筑钢筋混凝土结构的周期。

式中：n为建筑层数。

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2010（以下简称《高规》）规定：对于B级高度高层建筑，周期比不应大于0.85。

调整结构周期比的措施主要有：（1）为了加长平动周期可以采取降低平动刚度的方法；（2）提高结构的抗扭刚度是解决结构抗扭刚度不足的根本方法。调整的基本原则是通过加大结构周边构件刚度，削弱结构内部的刚度，增加抗震墙等方法，从而达到增大结构的整体抗扭刚度的目的。结构计算周期见表1。

表1 部分计算周期

周期比为2.7232/2.9896=0.806，满足规范中扭转第一周期与平动第一周期之比不应大于0.85的要求。同时根据结构自振周期的经验公式计算，可知整个结构体系刚度适中。

3.2.2 位移比

位移比是控制结构平面规则性的重要指标。通过对位移比的控制，可以避免结构形成较大扭转，防止对结构产生的不利影响。

规范中规定的位移比限值是按刚性板假定作出的，为了保证位移比计算数值的准确性，需要在结构模型之前，在软件参数设置中选择对所有楼层采用刚性楼板的假定。

《高规》规定：在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，B级高度建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。

调整位移比的措施主要有三种：

（1）通过调整结构平面布置从而增强结构的抗扭刚度。

（2）设计过程中结构布置难以调整时，可以通过考虑双向地震组合来提高结构的承载能力。

（3）设置防震缝。结构的质量中心与刚度中心距离较大也会对楼层位移比产生影响。为了使结构抗侧力构件在布置时能够比较均匀，此时可以通过设置防震缝的方法，把整个结构分割成几个相互独立的部分，使结构的质量中心与刚度中心接近。结构位移比见表2、表3。

表2 X方向地震力作用下的楼层最大位移

表3 Y方向地震力作用下的楼层最大位移

计算结果表明，结构平面布置合理，整体扭转性能良好。

3.2.3 刚度比

刚度比主要控制结构的竖向规则性，避免相邻楼层之间或者楼层与该楼层其上三层之间刚度差别过大，使得该楼层形成薄弱层，从而防止地震作用对楼层产生较大的应力集中的危险。

竖向构件不连续、楼板大开洞以及层高变化较大都有可能引起楼层刚度比的剧烈变化。一般情况下，由于刚度比相差较大而产生的薄弱层在设计过程中应予以消除，可以通过调整结构布置或材料强度等级来消除薄弱层的产生。此外，如果根据以上调整方法仍然无法避免，《建筑抗震设计规范》GB50011—2010规定：平面规则而竖向不规则的建筑，对于刚度小的楼层应乘以不小于1.15的系数对相应的地震剪力予以放大。

3.2.4 刚重比

刚重比不仅可以起到控制结构的整体稳定性的作用，同时可以根据计算数值评价建筑物是否需要考虑重力二阶效应。高层建筑在荷载作用下，由于存在过大的重力二阶效应就可能会引起居住人员不适、主体结构构件出现损坏、结构整体的失稳倒塌等问题，所以说必须要控制好结构的刚重比，保证结构的稳定。

《高规》规定，在水平力作用下，当刚重比满足规定时，重力二阶效应产生的不利影响可以不考虑。同时规定，高层建筑结构的稳定应符合下列规定，剪力墙结构的刚重比不应小于1.4。

对本结构体系进行计算得出：X向刚重比为5.13，Y向刚重比5.86。该结构刚重比大于2.7，根据规范要求，该结构满足结构整体稳定计算的要求，同时也无需考虑重力二阶效应。

3.2.5 剪重比

剪重比主要控制各楼层最小地震剪力，保证结构具有足够的安全。在长周期作用情况下，地震影响系数下降较快，地震地面运动速度可能会对结构造成较大的破坏，采用振型分解法时计算结果不够准确，所以规定最小剪重比。

《高规》规定，水平地震作用计算时，结构各楼层对应于地震作用标准值的水平地震剪力系数不应小于水平地震剪力系数（表4）的规定值。

表4 水平地震剪力系数

对本结构体系进行计算得出：X方向的有效质量系数为97.58%，Y方向的有效质量系数为98.32%。

4 结束语

高层建筑与多层建筑在受力性能以及变形性能上具有明显差别，水平荷载和地震作用成为控制高层建筑结构的关键因素。结构布置的合理性以及结构体系的经济性成为判断高层建筑结构设计的关键因素。

高层建筑结构设计是一个复杂的过程，应注重概念设计，选择合理的结构体系，对结构的平立面布置尽量规则，使结构具有良好的抗风抗震性能。通过控制好前述的基本指标，保证高层建筑结构设计的安全性、经济性和合理性。

责任编辑：孙苏，李红

On the Structure Design and RelevantIssues of AHigh Building

Based on the design of a residentialbuilding,a reasonable structure layout and accumulation parameters are obtained and design parameters and design index are analyzed.Some improvementmeasures fordesign parameters are presented to meetthe design requirements for safety and economy.

structure modelselection;structure design;framed structure;shearwall;period ratio;displacementratio;stiffness ratio;shearwightratio

TU37

A

1671-9107（2013）05-0023-02

基金论文：该论文为广西工学院鹿山学院科学基金资助项目（项目编号：院科自1112201、1112202）论文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.05.023

2013-03-27

王堂锐（1986-），男，山东济宁人，硕士，助教，从事建筑结构设计研究。

李红远（1981-），男，辽宁阜新人，硕士，讲师，从事建筑结构设计研究。

张胜利（1979-），男，山东济宁人，硕士，讲师，从事建筑结构设计研究。