淺談高層民用樓房建結構設計的幾點體會

洪涌杭

摘要：隨著高層建筑在我國的迅速發(fā)展，建筑高度的不斷增加，建筑類型與功能也越來越復雜，結構體系的更加多樣化，高層建筑結構設計也越來越成為結構工程師設計工作的主要重點和難點。

關鍵詞：鋼筋；混凝土；高層；結構設計

中圖分類號: TU331 文獻標識碼：A

1 高層建筑結構體系介紹

目前高層建筑基本上都是采用鋼筋混凝土結構，其結構體系有框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構等，其中在高層住宅建筑中剪力墻結構和框架剪力墻結構使用較多。

1.1 剪力墻結構

剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，作為豎向承重和抵抗側力的結構，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構稱為剪力墻結構。該結構通常采用平面布置形式，由于剪力墻受豎向荷載和水平荷載共同作用，剪力墻應雙向或多向布置。由于該結構全部由剪力墻組成，其剛度比框架剪力墻結構更好，常用于40 層以下的高層住宅建筑等。該結構高寬比不宜大于6，其高度應考慮抗震要求。

1.2 框架剪力墻結構

框架剪力墻結構是由框架和剪力墻組合而成的結構體系。其中剪力墻承受絕大部分水平荷載，框架承受豎向荷載，兩者共同受力，合理分工。剪力墻應均勻布置在建筑物的周邊、電梯間、平面形狀變化較大和豎向荷載較大等部位。

2 結構的選型

對于高層結構而言，在工程設計的結構選型階段，結構工程師應該注意以下幾點：

2.1結構的規(guī)則性問題

新舊規(guī)范在這方面的內容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案”。因此，結構工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

2.2結構的超高問題

在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結構的總高度都有嚴格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為A級高度的建筑外，增加了B級高度的建筑，因此，必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為B級高度建筑甚或超過了B級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中，出現(xiàn)過由于結構類型的變更而忽略該問題，導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當巨大。

2.3嵌固端的設置問題

由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能調協(xié)在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協(xié)調等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。

2.4短肢剪力墻的設置問題

在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設計中，結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。

3 高層建筑結構設計特點

3.1水平荷載成為決定因素

一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

3.2軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調整；另外對構件剪力和側移產(chǎn)生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

3.3側移成為控制指標

與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

3.4結構延性是重要設計指標

相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當?shù)拇胧?，來保證結構具有足夠的延性。

4 高層建筑結構分析

4.1高層建筑結構分析的基本假定

高層建筑結構是由豎向抗側力構件（框架、剪力墻、筒體等）通過水平樓板連接構成的大型空間結構體系。要完全精確地按照三維空間結構進行分析 是十分困難的。各種實用的分析方法都需對計算模型引入不同程度的簡化。下面是常見的一些基本假定。

4.2彈性假定

目前工程上實用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下，結構通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時，高層建筑結構往往會產(chǎn)生較大的位移，出現(xiàn)裂縫，進入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計算內力和位移時不能反映結構的真實工作狀態(tài)的，應按彈塑性動力分析方法進行設計。

4.3剛性樓板假定

許多高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少了結構位移的自由度，簡化了計算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計算筒體結構提供了條件。一般來說，對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是，對于豎向剛度有突變的結構，樓板剛度較少，主要抗側力構件間距過大或是層數(shù)較少等情況，樓板變形的影響較大。特別是對結構底部和頂部各層內力和位移的影響更為明顯?？蓪⑦@此層的剪力作適當調整來考慮這種影響。

5 高層建筑的結構體系

5.1框架——剪力墻體系

當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架——剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結構體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力?？蚣堋袅w系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設置，增大了結構的側向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架——剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

5.2剪力墻體系

當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結構，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結構體系，能建高度大于框架或框架——剪力墻體系。

5.3筒體體系

凡采用筒體為抗側力構件的結構體系稱為筒體體系，包括單筒體、筒體——框架、筒中筒、多束筒等多種型式。筒體是一種空間受力構件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結構單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。筒體體系具有很大的鋼度和強度，各構件受力比較合理，抗風、抗震能力很強，往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。

6 結語

鋼筋混凝土高層結構設計是一個長期、復雜甚至循環(huán)反復的過程，任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設計過程變得更加復雜或使設計結果存在不安全因素。

參考文獻

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