关于高层建筑结构设计问题的探讨

2019-01-12刘保花

魅力中国 2019年17期

刘保花

（身份证号：1321291970****2905）

高层建筑越来越多，建筑类型与功能越来越复杂，结构体系更加多样化，高层建筑的结构设计也成为结构工程师设计工作的主要重点和难点。高层建筑设计可以充分展现先进的设计，只有做到结构设计与外部条件相协调，解决构造处理问题，才能取得其与经济的协调发展。

一、高层建筑结构类型及特点

（一）框架―剪力墙体系

框架与剪力墙合起来互相取长补短，既能提供较大较灵活布置的建筑空间，又具有良好的抗震性能。如果把剪力墙布置成筒体，就组成了框筒结构。筒体的承载力、抗扭能力均较单片剪力墙有较大提高，在结构上可以提高材料的利用率，在建筑布置上往往可以利用筒体作电梯间、楼梯间和竖向管道的信道。框剪结构在承受地震作用时可形成多道防线，刚度很大的剪力墙作为第二道防线，随着剪力墙的开裂，刚度退化，框架在保持结构稳定及防止结构倒塌上发挥第一道防线作用。经过合理设计，框架剪力墙结构的延性是比较好的，且优于剪力墙结构。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平荷载。框架―剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架―剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

（二）剪力墙体系

剪力墙结构体系是由钢筋混凝土墙体互相连接构成的承重墙结构体系，用以承受竖向荷载，抵抗水平荷载，同时亦兼作建筑物的围护和内部空间的分隔构件，其主要优点：集承重、抗风、抗震、围护与分隔于一体，经济合理地利用了结构材料，结构整体性强、抗侧刚度大，侧向变形小，在承载力方面的要求易于满足，适于建造较高的建筑;抗震性能好，具有承受强烈地震而不倒的良好性能；当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架―剪力墙体系。

（三）筒体体系

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体―框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

二、高层建筑结构设计的影响因素

（一）水平荷载

在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，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。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

（二）轴向变形

竖向荷载很大的高层建筑，在柱中不仅能引起很大的轴向变形，还会对连续梁弯矩产生很大的影响，最终减少连续梁中间支座的负弯矩值，增大跨中正弯矩值和端支座负弯矩值。除此之外，预制构件中的下料的长度也会受其影响，所以，对下料长度进行调整时，要根据轴向变形的计算值。

三、结构设计应注意的问题

（一）周期控制

结构周期反映了结构体系的柔刚性，周期越长说明结构的整体刚度越柔，同时结构的位移也就越大，控制结构的位移和控制结构的周期是同一性质的，结构位移与结构周期是息息相关的，前者随后者的增大而单调增长。新抗震规范和高规还进一步提出了对结构扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期之比的限定规定。对于侧向刚度沿竖向分布基本均匀的较规则结构，其规律性较强，扭转为主的第一周期Tt和平动为主的第一周期T1都比较好确定，但是对于平面或竖向布置不规则的结构，则难以直观地确定Tt和T1。为了便于设计人员执行这条规定，在新规范软件中增加了根据振动方向因子判断各振型的振动形态功能和主振型判断功能。

（二）控制层刚度比

层刚度和层刚度比是两个重要参数。目前计算层刚度主要有三种方法：a.层剪力与层间位移比值方法。b.剪切刚度方法；c.剪弯刚度方法；按抗震规范定义：层的抗侧移刚度实际上就是使层刚心产生单位所需的水平力。层刚度比可以判断各层间的刚度均匀分布。

（三）控制扭转不规则

楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)，大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍，抗震规范3.4.3条规定，扭转不规则时，应计及扭转影响且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍；因此通过控制结构的扭转位移，使结构具备必要的抗扭刚度，保证结构满足地震作用下的抗扭要求，更好地满足结构的抗震安全性。