關于高層建筑結構設計要點及相關問題的研究

沈林峰 仇仁志

摘要：作為城市的關鍵建筑大廈，高層建筑營造出萬眾矚目的輪廓線，本文筆者將重點探討高層建筑結構設計的幾個重要內容。

關鍵詞：結構設計；高層設計；抗震

伴著城市化的快速發(fā)展，高層建筑愈漸多樣化，尤其衍生出的問題也愈加繁雜。而建筑高度與層數(shù)的增多，利用結構空間的效用，進一步發(fā)展了簡中簡結構、巨型結構、簡體結構以及多簡結構等諸多結構體系。高層建筑結構的側移剛度、材料用量、承載能力、造價多少、抗震性能，和它所采用的結構體系具備十分緊密的聯(lián)系。結構體系不一樣，其所適用的建筑的高度、層數(shù)及功能也不同。

在高層結構設計當中，主要要控制水平力，這是由于地震區(qū)內水平力會給高層建筑結構設計起到?jīng)Q定性影響。剪力墻結構的周期短、剛度大、抗震作用強，因此在設計過程中務必要重視結構剛度的調整。最近幾年以來我國出現(xiàn)了一連串的新型結構體系，在這當中涵蓋了巨型桁架結構、巨型框架結構、懸挑與懸掛結構。如今采取此類結構體系的工程數(shù)量并不多，經(jīng)驗不足，再加上當前我過對此類結構的探索尚未成熟化、深入化，故無法在設計和施工當中得以廣泛運用與推廣。

一、概念設計與理論計算

概念設計是指一些難以做出精確力學分析或在規(guī)范中難以具體規(guī)定的問題，必須由工程師運用“概念”進行分析，做出判斷，以便采取相應措施。概念設計帶有一定經(jīng)驗性。高層建筑結構的抗震設計計算是在一定假定條件下進行的。盡管分析的手段不斷提高，分析的原理不斷完善，但是由于地震作用的復雜性和不確定性，地基土影響的復雜性和結構體系本身的復雜性，可能導致理論分析計算和實際情況相差數(shù)倍之多。尤其是當結構進入彈塑性階段之后，會出現(xiàn)構件的局部開裂，甚至破壞，這時結構就很難用常規(guī)的計算原理去進行內力分析。實踐表明，在設計中把握好高層建筑的概念設計，從整體上提高建筑的抗震能力，消除結構中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，再輔以必要的計算和結構措施，才能設計出具有良好抗震性能的高層建筑。將注重概念設計作為高層建筑結構的最高原則提出，其主要內容為：

（一）應特別重視建筑結構的規(guī)則性（包括平面規(guī)則性和豎向規(guī)則性）。

（二）合理選擇建筑結構體系包括：

1、明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；

2、避免因部分結構構件的破壞而導致整個結構喪失承受重力、風載和地震作用的能力；

3、結構體系應具備必要的承載能力和良好的變形能力，從而形成良好的耗能能力。

（三）采取必要的抗震措施提高結構構件的延性。

二、結構整體穩(wěn)定和傾覆問題

（一）整體穩(wěn)定

建筑物在豎向荷載作用下，由于構件的壓屈，可能造成整體失穩(wěn)。我國國內高層建筑層數(shù)大多在40 層以下，剛度很大，整體穩(wěn)定一般不存在問題。當高寬比H/B>5 時，應驗算其整體穩(wěn)定性。高層建筑由于總高度值很大，基底面積小，在水平荷裁和水平地震作用下，產(chǎn)生很大的傾覆力矩，如果傾覆力矩超過穩(wěn)定力矩，則建筑物將會發(fā)生傾覆，此方面地層災害實例也已證實。在抗傾覆驗算中，傾覆力矩按風荷載或地震作用計算其設計值。計算穩(wěn)定力矩時，樓面活載取50%，恒載取90%，要求抗傾覆的穩(wěn)定力矩不小于傾覆力矩設計值。對于高度超過150m 的高層建筑應進行整體穩(wěn)定性及抗傾覆驗算。

三、水平作用

任何建筑結構都要抵抗豎向荷載和水平荷載，在低層和多層結構設計中，往往是以重力為代表的豎向荷載起控制作用，對于高層結構的設計，盡管豎向荷載仍對結構設計產(chǎn)生重要作用，但起控制作用的是水平荷載。之所以如此，其根本原因在于側移和內力隨高度的增加而迅速增長，例如一根懸臂桿件，在豎向荷載作用下，產(chǎn)生的軸力僅與高度成線性比例，但在水平荷載作用下，其彎矩與高增加。因此，在高層建筑結構設計中，抗側力的設計是關鍵，水平荷載是決定因素。對于一定高度的建筑物，作為其水平荷載的風荷載和地震作用將隨結構動力特性的不同而有顯著的變化。

四、軸向變形

任何建筑結構在外力作用下產(chǎn)生的位移都包括彎曲、軸向變形和剪切變形三部分。在低層建筑結構設計中，通常只考慮彎曲變形，而忽略鈾向變形和剪切變形的影響，因為一般結構構件的軸力和剪力產(chǎn)生影響較小，可不考慮。而高層建筑由于層數(shù)多、軸力大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會對高層結構的內力產(chǎn)生很大影響。此外，高層結構中的剪力墻的截面也往往很大。因此，剪切變形的影響不可忽略。

采用框架體系和框架剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸向壓力往往大于邊柱的鈾向壓力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，此種差異軸向變形將會達到較大的數(shù)值，其后果相當于連續(xù)梁的中間支座產(chǎn)生沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。故在高層建筑設計中，軸向變形不能不考慮。

在高層建筑結構的力學計算中，根據(jù)所選計算手段，所計算的構件變形因素是有區(qū)別的。對于簡化助手計算方法，一般只計算最基本的變形。采用計算機方法計算時，計算的變形因素要多一些。當用空間協(xié)同工作方法時，考慮了梁的彎曲、剪切變形，考慮了柱、剪力墻的彎曲、剪切和軸向變形；當用完全的三維空間分析方法時，除考慮了前面全部變形外，還增加了梁、柱、剪力墻的扭轉變形，以及剪力墻墻體截面的翹曲變形。

五、側移成為控制指標

與低層或多層建筑不同，結構側移已成為高層建筑結構設計的__關鍵因素。隨著建筑高度增加，水平荷載作用下結構側向變形迅速增大，結構側移與高度呈現(xiàn)四次方關系上升。在高層建筑結構設計中，不僅要求結構具有足夠的強度，還要求具有足夠的抗倒移剛度，以保證結構在水平荷載作用下所產(chǎn)生的側移限制在一定范圍內。側移是高層建筑的要害問題，之所以要控制結構側移，其主要原因有：

（一）側移過大，使建筑物內的人在心理上產(chǎn)生不適應，控制結構側移是保證建筑物正常使用的需要。

（二）側移過大，使建筑物內的填充墻、建筑裝飾和電梯軌道等服務設施產(chǎn)生裂縫、變形，甚至損壞。

（三）側移過大，將導致結構開裂或損壞，進而危及結構正常使用和耐久性，實際上控制結構構件裂縫就是限制結構側移。

（四）地震對建筑物的破壞程度，主要取決于結構側移大小，如果結構變形能力不足以抵御地震輸入能量對結構變形的要求，結構則會發(fā)生倒塌。

六、抗震設計

抗震設計要求更高在高層建筑結構的抗震設防設計時，要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載，還必須使建筑結構具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。計算結構的延性是困難的，結構或構件的延性是通過一系列的構造措施實現(xiàn)的。在高層建筑設計中，為使結構具有良好的延性，構件要有足夠大的截面尺寸，柱的軸壓比、梁和剪力墻的剪壓比、構件的配筋率都要適宜，應遵照規(guī)范、規(guī)程的要求。

七、結束語

高層建筑是城市空間的元素，優(yōu)秀的高層建筑并不是排斥城市空間的明星建筑而是能一個創(chuàng)造人性的場所，又融入文脈的關系，不去破壞城市空間的和諧。好的高層建筑，必須以城市的公眾利益為最終目的，還應充分滿足使用者的需求。因此，我們務必要謀求城市發(fā)展與高層建筑之間達到平衡，以創(chuàng)設出更適合人類居住的環(huán)境、更美的城市景觀。