试论高层民用建筑结构设计的问题与措施

陈杜

摘要：随着房地产行业逐渐步入成熟期，建筑用地的占用比例也越来越大，但资源的有限必然要求在小范围内建造出大面积，所以高层建筑是城市化进程中的必然选择。目前高层民用建筑层出不穷，但其结构设计中还存在诸多的问题，本文就此进行了探讨，就高层住宅结构设计中存在的问题，提出一些看法及处理措施，希望能对我们以后的工作产生帮助，使设计水准更上一层楼。

关键词：高层住宅；结构体系；控制参数

中图分类号： TU355 文献标识码： A

引言

如何设计出舒适、安全同时又符合人们精神生活要求且经济实用民用建筑以适应建筑市场的变化，满足消费者们的需求，成为设计师们要面对解决的首要问题。结合多年的设计实践经验对高层民用建筑结构设计中常出现的问题进行总结。

1 高层建筑结构体系介绍

目前高层建筑基本上都是采用钢筋混凝土结构，其结构体系有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构等，其中在高层住宅建筑中剪力墙结构和框架剪力墙结构使用较多。

1.1 剪力墙结构

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，作为竖向承重和抵抗侧力的结构，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。该结构通常采用平面布置形式，由于剪力墙受竖向荷载和水平荷载共同作用，剪力墙应双向或多向布置。由于该结构全部由剪力墙组成，其刚度比框架剪力墙结构更好，常用于40 层以下的高层住宅建筑等。该结构高宽比不宜大于6，其高度应考虑抗震要求。

1.2 框架剪力墙结构

框架剪力墙结构是由框架和剪力墙组合而成的结构体系。其中剪力墙承受绝大部分水平荷载，框架承受竖向荷载，两者共同受力，合理分工。剪力墙应均匀布置在建筑物的周边、电梯间、平面形状变化较大和竖向荷载较大等部位。由于该结构以框架结构为主，剪力墙为辅助，因此，该结构体系适用于25 层以下的建筑，最高不宜大于30 层。

2 高层结构设计的控制参数与应用

高层结构设计中各控制参数的选取直接影响结构的安全性、合理性等。因此。合理的选取各控制参数，有助于提高结构整体控制的效率，也有助于使结构设计更加安全、经济合理。

2.1 轴压比：限制结构的轴压比，以保证结构的延性要求。当不满足规范要求时可以通过增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度的办法调整。

2.2 剪重比：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。当偏小且与规范限值相差较大时，可通过增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度的办法调整。

2.3 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。当不满足规范下限要求时，可以通过调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度的办法调整。

2.4 层间位移角：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。当不满足规范要求时，只能通过调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度的办法调整。

2.5 层间位移比：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。当不满足规范要求时，可以改变结构平面布置，减小结构刚心与质心的偏心距达到规范要求。

2.6 周期比：限制结构的抗扭刚度不能太弱，使结构具有必要的抗扭刚度，减小扭转对结构产生的不利影响。当不满足规范要求时，只能通过调整改变结构布置，提高结构的抗扭刚度。

2.7 刚度比：主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层。当不满足规范要求时，可以适当加强本层墙、柱和梁的刚度，或适当削弱上部相关楼层墙、柱和梁的刚度以满足要求。

3 框架计算简图的处理

无地下室的框架结构，基础埋深较深时。为了加强底层的整体性，可以在0.00m 附近设置基础连系梁。由于基础连系梁的设计仅为构造设计，无法平衡底部柱脚的弯矩，更不能够作为上部结构的嵌固部分，底层计算高度H 显然不能取用基础连系梁顶面到一层楼盖顶面的高度。正确的设计是：柱的H 值取用基础顶面至连系梁顶面的高度，也就是把基础连系梁以下的部分看作底层，而把实际建筑的底层作为第二层计算，层高取用连系梁顶层至一层楼面的高度。当采用这样确定计算简图时，应注意底层柱的配筋应取用基础连系梁顶面和基础顶面中较大内力设计值进行计算。带有地下室的框架结构，合理确定上部结构的嵌固位置是非常关键的。而《建筑抗震设计规范》和《混凝土结构设计规范》都没有明确提出具体位置，需要我们根据工程的实际情况来分析。采用箱型基础或者能够满足《建筑抗震设计规范》的地下室结构时，可以将地下室顶作为框架上部结构的嵌固位置。在利用PKPM进行设计时，楼层总数仅输入地下室以上的实际层数，底层的实际层高就是层高H。这样设计的地震作用和实际情况较为接近，但是竖向荷载的计算仅计算到底层的柱底处。当地下结构是采用的筏板基础，嵌固位置最好取在基础顶面。在利用电算时，总层数应为实际的楼层数加上地下室的层数。如当建筑地上6层时，地下2层时，总层数取8层。按此确定的计算简图经整体计算后，地震作用相对保守，结构设计比较安全。

4 结构计算参数的选取

4.1 地震力的振型组合数

地震力的振型组合数，对高层建筑，当不考虑扭转耦联计算时，至少应取3，当振型系数多于3 时，宜取3 的倍数，但不应多于房屋的层数《建筑抗震设计规范》指出，合适的振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数。SATWE 已有这种功能，可以很方便地输出这种参与质量的比值。此外，由于耦合计算的地震剪力通常小于非耦合计算，仅结构存在明显扭转时才采用耦合计算，但在必要时应补充非耦合计算。

4.2 框架结构活荷载的最不利布置、组合

当活荷载较大时，是否进行活荷载的最不利布置、组合对计算结果的影响非常大。使程序给定的梁设计弯矩放大系数，也不一定能反映出工程实际应力分布的情况，有可能造成结构不安全或保守。应注意的是PKPM中无法区分荷载规范，因此很难实现“荷载规范”区分荷载种类和楼面荷载折减系数的要求，程序中不区分不同的楼面活荷载类型，一般均按楼面活荷载类型考虑并取相应的折减系数，PKPM计算程序对楼面活荷载的折减是不全面的，使用PKPM计算时，应考虑区分不同构件进行分步计算，并在荷载输入时将楼面活荷载折减。风荷载体型系数的选取应注意，当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应；一般可将单独建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数，该系数可参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出。

5 结论

结合笔者多年从事高层建筑结构设计的工作经验，通过对高层建筑结构体系的介绍，同时结合高层建筑结构设计的相关规范，说明了高层结构设计中一些控制参数的使用，如轴压比、位移比、刚度比等的作用及调整方法。最后以框架为例，概述在电算中计算参数的选择，重点介绍了振型组合系数的选择等，指出了在高层结构设计中应注意的一些问题，以提高结构设计的准确性、安全性和经济合理性。提出的措施可为相关人员参考。