关于高层建筑中结构设计方案的对比探讨

焦 点

(中国瑞林工程技术有限公司)

关于高层建筑中结构设计方案的对比探讨

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随着当前我国经济社会的不断进步，高层建筑越来越广泛的出现在人们的生活中。作为一个庞大复杂的系统，在高层建筑结构设计进行结构选型时，不仅要考虑结构体系的适用性与经济性，还要充分考虑抗震性能等几方面。本文就以某小区为例，对目前普遍采用的几种结构形式进行分析比较。

小高层建筑；结构设计；抗震性能

一、高层建筑结构设计的基本特点

高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有；

1、水平力是设计主要因素

高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。

2、侧移成为控制指标

随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

3、抗震设计要求更高

有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。

4、结构延性是重要设计指标

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。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，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

二、案例概述

某小区的十二层，一梯两户两单元住宅，对称结构，层高均为2.9m，建筑物总高34.8m，长34.2m，宽14.7m，每层面积490m2，总面积5880m2，抗震烈度为6度，场地土类别为三类，基本风压：0.6kn／m，采用“多层及高层建筑结构三维分析与设计软件”程序及有关规范对不同的结构设计方案进行计算并分析比较。

1、框架结构

此方案的特点是一般用于多层结构及小高层结构，适用高度范围一般为60m以下。框架结构布置灵活，具有较大的室内空间，使用较为方便。填充墙可采用轻质隔墙，减轻结构自重。但内凸的框架柱直接影响到户型的实际使用面积及家具布置。

2、异型柱框架结构

根据行业标准《砼异型柱结构技术规程》JGJ149—2006第3.1.2条抗震设计为6度时，异型柱结构适用的房屋最大高度为24m，本工程建筑总高为34.8m。故不宜采用异型柱框架结构。

3、框架剪力墙结构

这种结构既具有框架结构布置灵活，使用方便的特点，又具有较大的刚度和较强的抗震能力。但内凸的框架柱同样影响到户型的实际使用面积及家具布置。

4、异型柱框架剪力墙结构

这种结构体系是框架剪力墙的一个派生结构形式，是利用楼电梯间做钢筋砼核心筒抵抗大部分水平荷载，异型柱主要承受竖向荷载，水平位移及层间位移大大减小。同时，与墙同宽的异型柱又能更好地解决建筑平面使用问题。

5、普通剪力墙结构

这种结构体系一般用于高层结构住宅，此方案的特点是根据建筑平面布局而设置钢筋砼墙，与墙同宽的剪力墙很好地解决了建筑平面使用问题。总高度仅34.8m，抗震设防烈度为6度区，若采用纯剪力墙结构，造价高，故不作为该工程的首选结构类型。

6、短肢剪力墙结构

此方案的特点是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构，根据建筑平面布置，在建筑物凹凸转角处布置各种行式的短墙肢。因采用这种结构体系时，将中部的电梯间、楼梯间和管道井四周的剪力墙组成筒体结构，四周布置短肢剪力墙，也可根据需要布置一些长肢墙，所以结构布置极为灵活，基本上能根据建筑的要求布置竖向受力构件。

三、结构抗震性能的比较

1、框架结构

用于多层及小高层结构，即建筑物高度小于28m，对于大于30m的框架结构，在抗震设防烈度为6度地区，《高规》第4.8.2条规定，抗震等级为三级．SATWE程序计算结果显示，此结构在水平荷载的作用下，水平位移及层间位移为最大；由于框架柱作为唯一的抗水平力构件，轴压比限值为 0.90，故框架柱截面尺寸较大，内凸的框架柱直接影响到户型的实际使用面积及家具布置。而且由于建筑的平面使用或立面造形的要求，经常出现框架两一端搁置在柱上，另一端搁置在梁上；或几根框架柱并不在一条轴线上，往往出现单跨框架的现象，成为抗震薄弱环节。

2、异型柱框架结构

异型柱在受剪承载力、节点承载力和延性等受力性能方面比普通矩形柱差，在水平地震作用下，柱内钢筋的粘结锚易遭受破坏，对抗震性能有不利影响。因此，钢筋砼异型柱框架及框架抗震墙结构的房屋应在一定的高度及适用范围内应用，而不能等同于一般的钢筋砼结构。

3、框架剪力墙结构

一般用于高层结构，在近几年的高层结构设计中应用广泛，此方案的特点是利用楼电梯间做钢筋砼核心筒抵抗大部分水平荷载，框架柱主要承受竖向荷载，水平位移及层间位移大大减小，轴压比限值较框架结构放宽，但考虑框架柱的构造要求，及实际计算中若轴压比大于0.9，则柱配筋较大，所以在小柱网的住宅中，与框架结构相比，柱截面尺寸与不可能小很多，同样存在上述建筑使用问题。

4、异型柱框架剪力墙结构

这种结构体系是框架剪力墙的一个派生结构形式，此方案的特点是利用楼电梯间做钢筋砼核心筒抵抗大部分水平荷载，异型柱主要承受竖向荷载，水平位移及层间位移大大减小。同时，与墙同宽的异型柱又能更好地解决建筑平面使用问题。6度地区，框架剪力墙结构总高度不得超过 45m，柱中距不大于7.2m。抗震等级之所以异形柱有上述的限制条件，主要是异形柱的肢长较短，当建筑的高度较高时，异形柱无法满足轴力和抗侧力的要求。

5、普通剪力墙结构

此方案的特点是根据建筑平面布局而设置钢筋砼墙，适当部位开结构洞，以轻质填充墙代替，以减轻结构自重及工程造价，可使各墙段刚度均匀，抗震性能好，水平位移及层间位移大大减小，尤其在户型的实际使用面积及家具布置中。

6、短肢剪力墙结构

由于短肢剪力墙抗震性能较差，地震区应用经验不多，为安全起见，对这种结构抗震设计的最大适用高度、使用范围、抗震等级、墙肢厚度、轴压比，截面剪力设计值、纵向钢筋配筋率均做了较严格的限制。

四、计算结果的比较

地震周期。框架结构最大(T1=1.6463S)，短肢剪力墙结构最小，异型柱剪力墙结构次之，其余结构相差不大。显然，这是与结构的刚度有直接关系。

水平地震剪力。框架结构最小(1347.77f)，短肢剪力墙结构最大，异型柱剪力墙结构次之，其余结构相差不大。显然，这是与结构的地震周期是一致的。

最大层间位移。框架结构最大(Dx／h=1／455)，短肢剪力墙结构次之(1／3591)，其余结构相差不大。显然，这是与结构的刚度是一致的。

结构自重。框架结构最大，其余结构相差不大，活载相差不大。恒载占总重量的百分比为93%以上，故在高层计算中，一般可不考虑恒活最不利组合，这对计算结果几乎无影响。

砼用量。短肢剪力墙结构与异型柱剪力墙结构较大，其余结构相差不大(约1333)。相差了146／13.1=1.1倍。

钢筋用量。短肢剪力墙结构与异型柱剪力墙结构较大，其余结构相差不大(约16.0t)。相差了18.5／16.0=1.15倍。这是由于前者结构的最小配筋率要求较高。

工程造价。短肢剪力墙结构与异型桂剪力墙结构较大，框架结构最小(349元m2／ )。这是由于短肢剪力墙结构与异型柱剪力墙结构在砼用量和钢筋用量均较高。

五、结论

综上所述，各种类型均有优缺点，设计师应充分重视概念设计，根据其受力的特点，了解其破坏的各种机理合理、对称、均匀地布置短肢墙，正确掌握计算机分析方法和截面设计，并不断地总结经验，根据建筑物所处的地区、业主的要求以及地质条件在满足国家规范及强制性条文的要求下选择合适的结构类型。

[1]（建筑地基基础设计规范）(GB50007-2002)

TU7

B

1007-6344（2015）09-0139-01