浅谈高层建筑结构设计中几个值得重视的问题
摘要：我国高层建筑大量涌现，由于高层建筑平面布置和立体面的复杂，给高层建筑结构设计带来了挑战。本文结合实践经验，对高层建筑设计中几个值得重视的问题进行了研究，以更好的指导高层建筑结构设计。
关键词：高层建筑结构设计扭转 刚度抗震
abstract: our high-rise building emerge in a large amount, due to the high building layout and the complex three-dimensional, give a high building structural design challenge. this paper, combined with the practice experience, in the design of a high-rise building several important issues, to better guide high-rise building design.
keywords: designing high-rise seismic torsional rigidity
中图分类号：tu318 文献标识码：a文章编号：
我国高层建筑大量涌现，由于高层建筑平面布置和立体面的复杂，给高层建筑结构设计带来了挑战。本文结合实践经验，对高层建筑设计中几个值得重视的问题进行了研究。
一、宏观上控制结构的强度和延性
结构在受力进塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，为避免倒塌，尤其是结构抗震设计中，一方面要保证结构具有足够的强度。另一方面，要保证结构具有一定的延性，强度要从电算的位移刚度等进行控制，而延性则主要从以下几个方面控制，以防结构的脆性破坏。
1. 1构件截面抗震承载力调整
水平地震作用与重力荷载效应组合对应的结构构件截面抗震承载力须根据受力状态进行调整放大提高，以达到结构的柔性破坏。
1. 2竖向构件轴压比控制
高层建筑竖向构件在重力荷载、水平荷载共同作用下的轴压比控制是保证高层建筑结构延性和安全度的重要措施之一，其表达式如下：
轴压比=总组合轴压力设计值/(混凝土抗压设计值x构件截面积)。
轴压比的高低直接体现构件延性的优劣，轴压比较低的构件延性较好，反之延性较差。因此。地震作用效应组合下的竖向构件轴压比必须满足规范限值。
1. 3结构构件剪压比控制
其表达式为：板剪压比=组合设计剪力/(混凝土抗压设计强度x构件腹净面积)。
高层建筑各类结构构件在重力荷载、水平荷载共同作用下的剪压比控制是保证高层建筑结构延性、安全度的又一重要措施。
1. 4结构构件合适含钢率选择
高层建筑结构构件截面尺寸及其混凝土强度等级合适确定后，构件配置的各种受力钢筋和非受力构造钢筋具有合适的含钢率，是控制高层建筑结构强度、刚度及裂缝，使之能正常工作的另一个极其重要的设计原则和手段，合适含钢率的配置是现浇钢筋混凝土高层建筑结构本身应有的特性的体现。
二、高层建筑结构设计中的扭转问题
建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心，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。
在某些情况下，由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不可能全部采用简单平面形式，当需要采用不规则l形、t形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内，同时，在结构平面布置时，应尽可能使结构处于对称状态。
建筑结构的振动周期问题包含两方面：①合理控制结构的自振周期;②控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。
2.1结构自振周期
高层建筑的自振周期(t1)宜在下列范围内：
框架结构：t1=(0.1~0.15)n
框-剪、框筒结构：t1=(0.08~0.12)n
剪力墙、筒中筒结构：t1=(0.04~0.10)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。
如果周期偏离上述数值太远，应当考虑本工程刚度是否合适，必要时调整结构截面尺寸。如果结构截面尺寸和布置正常，无特殊情况而计算周期相差太远，应检查输入数据有无错误。从实例的计算结果看，其自振周期计算值接近估算值的下限，可考虑调整结构刚度，适当增大结构的自振周期。
2.2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征周期的差别，避免共振的发生。
2.3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。因为结构周期长、地震力小并不安全;其次，位移曲线应连续变化，除沿竖向发生刚度突变外，不应有明显的拐点或折点。一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型;框架结构的位移曲线应为剪切型;框-剪结构和框-筒结构的位移曲线应为弯剪型。
三、结构刚度
高层建筑的抗侧刚度对结构的抗震性能有很大的影响，应设计得刚些还是柔些，不同的设计人员有不同的看法，因此各结构物的经济指标相差较大。如深圳等沿海地区的高层建筑大多数都设计得比较刚，特别是高层住宅，主要表现在剪力墙较多，而且墙普遍较厚，有些建筑只有十几层，墙厚达500-600mm左右，比较浪费，计算的最大相对侧移值只有1/3000-1/5000，甚至更小。在土质较好，基岩埋深也普遍较浅的地区，高层建筑大多采用桩基，持力层多落在中、微风化岩，地基的特征周期值较小，所以高层建筑的抗侧刚度一般可以设计得柔些，以结构的极限变形能力作为控制值。在满足变形限值的前提下，结构刚度尽可能设计得小些，这样，既降低了地震作用，也使场地土与建筑物发生共振的可能性减小，而且又达到了经济目的。
四、高宽比限值
《高规》中对高层建筑的结构高宽比h/b进行限值的目的是为了保证结构整体的稳定性和不倾覆。一般而言，随着建筑物高度的增加，倾覆力矩也将迅速增大，高宽比大的结构其安全性和经济性较差，所以高宽比限值原则上是需要的。
但目前高宽比限值中考虑的因素过于简单。首先，结构的抗倾覆性与基础埋深、基础宽度及基础形式等有很大的关系。基础埋得越深、基础宽度越大、结构抗倾覆能力就越好，高宽比就可以越大一些;有桩基础的结构上抗倾覆能力比天然地基的抗倾覆能力好，所以高宽比也可以大些。其次，上部结构的刚度分布不同，结构的整体性也不同，若上部结构通过合理的结构设计能保证结构具有足够的刚度，以使结构在地震作用下和风振下都不会有过大的动力反应，高宽比也可以大些。
五、关于抗震构造措施
新的《高规》较“89规范”增加了有关短肢剪力墙的规定，但有些条文在设计应用时，尚不尽完善，且规程对短肢剪力墙的纵向钢筋配筋率要求偏高。短肢剪力墙原来系用于高层点式筒体的结构，近年来大量应用于10~16层的小高层商住楼，对这种高度一般不超过50m的建筑，是否应当采取如此严格的构造措施，是值得商榷的。
例如，《高规》第7.1.2条第2款规定“筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%”，相比于框剪结构中的框架而言，短肢墙的抗侧刚度要大的多，这样势必增加长墙的数量，进而增大地震作用。
关于短肢剪力墙抗震等级的规定不尽合理，《高规》第7.1.2条第3款规定“短肢剪力墙的抗震等级应比本规程表4.8.2规定的抗震等级提高一级采用”，在短肢剪力墙结构中，既然规定了一般墙或筒体承受的倾覆力矩大于50%，则筒体或一般墙为主要抗侧力构件，应提高筒体或一般墙的抗震等级才合理，就如框-剪结构中的剪力墙抗震等级高于或等于框架抗震等级。
《高规》第7.1.8条规定，当连梁跨高比不小于5时，宜按框架梁进行设计。连梁主要承受水平荷载带来的剪力和弯矩，容易出现剪切裂缝，其抗剪计算式与框架梁不一样(见《高规》第7.2.24条)，箍筋间距要求要严。连梁抗震设计时，对配筋率没有特殊要求，其最小配筋率同非抗震设计，最大配筋率则通过截面条件来控制。而框架梁则要满足截面条件及配筋等多项构造要求。在设计此类连梁时应注意，在计算时要设为非连梁，否则程序对其刚度不乘考虑楼板作用的增大系数，还要按连梁折减。对跨高比小于5，但对在较大集中荷载作用下(集中荷载对支座截面或节点边缘所产生的剪力值占总剪力值的75%以上的情况)的连梁，也应按框架梁进行抗剪承载力计算。
参考文献：
[1] gb 50011-2010建筑抗震设计规范[s].北京:建筑工业出版社，2011
[2] 全国民用建筑工程设计技术措施--结构篇[s]
[3]赵天赋.高层建筑结构设计研究[j].今日科苑，2009 (12) [4]
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