城乡规划与设计 高层建筑结构设计研究 徐鹏 中钢集团工程设计研究院有限公司石家庄设计院 摘要：随着城市化发展以及建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多。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１＇７题进行探讨。 关键词：高层建筑高层建筑结构设计问题 １．高层建筑结构设计的意义及依据 １．１概念设计的意义 高层建筑能做到结构功能与外部条件一 致，充分展现先进的设计，发挥结构的功能 并取得与经济性的协调，更好地解决构造处 理，用概念设计来判断计算设计的合理性。 １．２概念设计的依据 高层建筑结构总体系与各分体系的工作 原理和力学性质，设计和构造处理原则，计 算程序的力学模型和功能，吸取或不断积累 的实践经验。 ２．５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。 ３．高层建筑结构设计的几个问题 ３．１ 高层建筑结构受力性能 对于一个建筑物的最初的方案设计，建 筑师考虑更多的是它的空间组成特点，而不 是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对 建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳 定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大 而重的构件所组成，因此结构必须能将它本 身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作 用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就 是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与 地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑 设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和 承重墙的数量和分布作出总体设想。 ３。２高层建筑结构设计中的扭转问题 建筑结构的几何形 ｔｌ，、刚度中心、结构 重心即为建筑三一ｔｌ，，在结构设计时要求建筑 三心尽可能汇于一点，即三心合一。结构的 扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三 心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振 动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发 生的扭转破坏，应在结构设计时选择合理的 结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做 到三心合一 ３．３高层建筑结构设计中的侧移和振 动周期 建筑结构的建筑结构的振动周期问题包 含两方面：合理控制结构的自振周期；控制 结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征 周期。 （１）结构自振周期 高层建筑的自振周期（Ｔ ｌ１宜在下列范围 内ｔ ２．高层建筑结构设计的特点 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、机 电管道的设置、施工技术的要求、施工工期 长短和投资造价的高低等。其主要特点有； ２．１ 水平力是设计主要因素 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。 ２．２侧移成为控制指标 与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼 结构设计中的关键因素。随着楼房高渡的增 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。 ２．３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。 ２．４轴向变形不容忽视 高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够 在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续 梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的 负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯 矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生 影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长 度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影 响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于 不安垒的结果 征周期的差别，避免共振的发生。 （３）水平位移特征 水平位移满足高层规程的要求，并不能 说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑 周期及地震力的大小等综合因素。因为结构 抗震设计时，地震力的大小与结构刚度直接 相关，当结构刚度小，结构并不合理时，由 于地震力小则结构位移也小，位移在规范允 许范围内，此时并不能认为该结构合理 ３．４位移限值、剪重比及单位面积重度 （１）位移限值在结构整体计算的输出结 果中，结构的侧移（包括层间位移和顶点位移１ 是一个重要的衡量标准，其数值大小从一个 侧面反映出结构的整体刚度是否合适，过大 或过小都说明结构刚度过小或过大（或者体现 结构两个主轴方向的刚度是否均衡），以致要 引起设计者对其中的结构体系选择、结构的 竖向及平面布置合理性的再思考。 （２）剪重比及单位面积重度结构的剪重比 （也即水平地震剪力系数）ｋ＝ＶＥＫ／Ｇ是体现 结构在地震作用下反应大小的一个指标．其 大小主要与结构地震设防烈度有关，其次与 结构体型有关，当设防烈度为７、８、９度时， 剪重比分别为０．０１２，Ｏ．０２４．Ｏ．０４０；扭转效 应明显或基本周期＜３．５ ｓ的结构剪重比则分 别为Ｏ．０１６，０．０３２，Ｏ．０６４。单位面积重度ｖＯ ＝Ｇ／ａ（ｋＮ／ｍ２）是衡量结构构件截面取值 是否合理和楼层荷载数据输入是否正确的一 个重要指标。式中的Ｇ由以下几部分，即结 构构件自重、楼面建筑面层及天棚抹灰（或吊 顶）重、填充墙（包括抹面层）重和楼面使用荷 载组成；Ａ则一般以地面以上的建筑面积总和 计算，以便有一个相对准确的比较标准。定 性地分析比较ｒ０值的大小，可得出以下结果， 即一般内部隔墙多的建筑（比如住宅）大于间 隔墙少的建筑（比如敝开式办公室）；层数多的 框架结构：ＴＩ＝（０．１一Ｏ．１５）Ｎ 框一剪、框简结构：ＴＩ＝（０．０８．０．１２１Ｎ 剪力墙、筒中筒结构：ＴＩ＝（０．０４－一０．１０）Ｎ Ｎ为结构层数。 结构的第二周期和第三周期宜在下列范 围内： 第二周期：Ｔ２＝（１／３～１／５）Ｔ１；第三周 期：Ｔ３＝（１／５—１／７）Ｔ１。 （２）共振问题 当建筑场地发生地震时，如果建筑物的 自振周期和场地的特征周期接近，建筑物和 场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时 就应针对预估的建筑场地特征周期，通过调 整结构的层数，选择合适的结构类别和结构 体系，扩大建筑物的自振周期与建筑场地特 建筑略大于层数少的同性质建筑 设防烈度高 的建筑大干设防烈度低的同性质同规模建 筑，剪力墙多的建筑大于剪力墙少甚至仅为 框架的建筑。一般高层建筑的单位面积重度 在１Ｏ一１８ｋＮ／ｍ２之间，除个别较特别的以 外，多数在ｌ５ｋＮ／１１１＿２左右。 以上两个指标不仅在施工图设计阶段， 而且在初步设计阶段都是非常重要的数据， 其数值正常与否从另一个侧面反映出结构体 系的选择是否合适，结构布置（包括构件截面 确定）是否合理，电算数据输入是否正确，以 及最后决定电算结果是否可信可用等，因此 结构设计者对这两个指标切不可掉以轻 ｔｌ，， 更不可认为是无关紧要的。 参考文献： ［１］《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０－２００２） ［２］《建筑抗震设计规范》（Ｇ８５００１ １－２０１ Ｏ）． １１０ ｗｗｗ．ｓｐｙｚｌｚｚ．ｃｏｒｎ 商品与质量・学术观察
