浅析高层建筑结构设计

李启用

【摘 要】主要研究高层建筑结构设计，对高层建筑结构抗震设计、结构选型、参数选择、长周期结构设计、转换层设计等设计内容进行了讨论分析，以某商务办公楼设计为实例，讨论了高层建筑结构设计问题。

【关键词】高层建筑、结构设计

城市吸引着越来越多的人口，城市越来越拥挤，推动了城市高层建筑的建设。随着人们生活水平的提升，人们对高层建筑功能的要求越来越多，给高层建筑结构设计带来了很多困难，需要设计人员组织学习新的设计理念，采用更科学的设计方法，才能达到设计目标。

一、结构抗震设计

（一）基本步骤

抗震设计最常见的是基于性能的抗震设计方式，结合工程建筑场地条件、设防烈度、房屋高度以及建筑平面、立面不规则程度，结合业主对建筑抗震性能的要求和经济情况，选择合适的性能、目标，从而编制设计方案，进行论证和专家评审。

（二）抗震性能目标设定、选用

建筑物抗震性能目标是在设定地震作用下达到预期性能标准。实际工程中，性能目标的选择需要对建筑场地条件、设防烈度以及建筑高度和建筑不规则超限程度等综合考虑。建筑超限程度会对结构延性产生直接影响，结构构件承载力较高则不对延性变形能力提出很高要求，结构构件承载力较低，则延性变形性能要求较高。选择超限程度时需要对二者进行协调。

（三）设计方法、设计目标

基于性能的地震设计方法在工程应用中比较简单，常见的方法主要有基于承载力、基于位移和能量設计三种。

结构抗震设计首先需要进行工程的分析判别，对建筑方案高度、结构类型、规则性、抗震标准等进行全面分析，将其作为抗震性能目标主要依据。之后对建筑物设防烈度、场地条件、重要性、造价等因素进行综合考虑，选择合适的抗震目标，性能水准结构抗震目标可参考下表：

表1-1 结构抗震性能目标

A B C D

多遇地震 1 1 1 1

设防烈度地震 1 2 3 4

罕遇地震 2 3 4 5

地震地面运动是不可测的，所以结构强烈地震作用下非线性分析计算模型以及参数选用方面也有着很多经验因素，工程建设缺少实际震害验证，难以获得较高的准确度，例如超高建筑自振周期较长，并且结构复杂、不规则，则抗震性能的准确判断更加困难，所以选择性能目标时应该尽量偏于保守和安全。

之后进行进一步的计算分析和工程判断，是性能设计中最关键的部分，在进行结构分析判断的基础上找到结构薄弱位置，采取必要的加强措施，必要时要经过试验验证。结构抗震性能分析论证工作主要有以下几个环节：

1.分析结构不规则程度和是否超过规范适用范围，界定建筑结构是否为超限结构。

2.认定场地条件、抗震设防类别以及地震参数。

3.进行结构的弹性和弹塑性分析，并进行计算结果合理性的分析判断。

4.分析判断结构计算结果，确定地震作用下的薄弱部位，采取必要的加强措施。

5.首次使用的工程结构方案或者另类结构方案，在地震概念分析和计算分析结果都没有把握的情况下，需要进行结构抗震试验对其安全性进行论证。

二、结构设计依据及参数设置

以某商业办公高层的结构设计为例，对高层建筑结构参数设置进行讨论。该主楼采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构。

（一）设计依据

1.项目场地岩土工程详细勘察报告

2.项目场地地震安全性评价报告

3.国家有关结构设计规范、规程

（二）参数设置

表2-1 常规参数设置

混凝土 C30-C60普通混凝土

钢筋 HRB400

钢材 Q235B、Q345B、Q345GJ

风载荷 0.55KN/ ㎡

根据地勘报告，建筑场地类别，为II类场地，按照安评报告反应谱，分析多遇地震作用：

（2-1）

上式中：T-反映周期；

=0.10s；

-放大反应谱；

，衰减系数。

经计算可获得地震参数：

表2-2 地震参数设置

地震 重现周期（年） 基准超越概率（%） 地震加速最大值（cm/s2） 特征周期（s） 地震水平影响极值

多遇地震 50 63% 18（38） 0.45（0.40） 0.04

设防烈度 475 10% 50（110） 0.45（0.50） 0.14

罕遇地震 1600-2400 2% 125（225） 0.45（0.50） 0.28

三、长周期结构设计

（一）结构选型

办公主楼选择钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构，平面结构规则，质量刚度分布比较合理，并且竖向构件上下连续贯通，核心筒作为有效的抗震抗风体系，通过内填混凝土显著提高了钢管壁的稳定性，对建筑立面复杂要求适应性很强。楼盖结构选择钢梁、压型钢板混凝土组合楼板，地下一层顶板是上部结构嵌固端，选择现浇结构楼板。

（二）结构弹性分析

上部结构的柱、梁以及斜撑构件全部使用杆件模拟，剪力墙使用壳模拟，楼板有弹性和刚性两种形式。确定分析模型和参数后使用SATWE软件进行独立计算和结果分析，获得相关结论。

四、时程波的选取

（一）反应谱延长

各国的抗震规范都普遍使用设计反应谱来表达地震数据作用，用于抗震设计安全性和经济性参考。但是高层建筑的结构越来越复杂，很多工程项目的自振周期已经超过了规范地震影响曲线范围，所以有必要对设计周期范围进行扩展，参照抗震设计规范中对反应谱下降段衰减规律规定，延长反应谱下降速率到10s。

（二）时程段

我国对长周期段设计反应谱提高了很多，选择合适的地震波获得一致的“统计意义”比较困难，所以结构的时程分析之前首先需要分析频谱，满足“统计意义相符”，时程分析才能作为设计依据。

五、梁式转换层结构设计

（一）梁式转换层平面布置

要求平面布置应该尽量简单规则，底部大空间转换层应该设置为上下贯通剪力墙，剪力墙和主轴或者其他方向形成筒体则能够获得良好的工作空间。

受到地震影响，建筑结构的抗侧作用性能非常关键，所以角部剪力墙底部不应该设置转角大洞形成框支转换，也不应该在结构底部設置为托柱转换。

筒体底部墙体和落地剪力墙需要加强，并应该在墙体两端设置翼墙或者端柱。

（二）竖向布置

带转换层结构需要设置落地剪力墙或者筒体。转换层下部结构刚度需要尽量加强，并弱化上层结构刚度，保证结构整体合适的刚度、强度和抗震性能。转换层上部的抗侧力结构应该设置在主结构上，获得更直接的传力途径，尽量减少转换次数。

（三）楼盖设计

楼盖是板和梁的组合结构，承受竖向载荷，并将竖向荷载有效传递给柱和梁，而水平作用力需要通过楼盖在竖向构件之间相互传递，实现整个结构的协同工作，提高结构传力可靠性。转换层位置楼盖的水平荷载传递功能更加关键，因而转换层楼盖不能开大洞，必须开设楼梯间时需要使用混凝土落地剪力墙围成落地筒体。

【结束语】城市人口越来越多，高层建筑的大规模建设是城市发展的必然，随着人们生活水平的提升，人们对建筑的功能要求越来越多，进行高层建筑结构设计需要对人们的建筑功能需求进行认真分析，采用新型的设计理念和科学的设计方法，认真进行结构设计，才能保证高层建筑结构的安全性，提高结构的抗震性能，保证人们的生命财产安全。

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