高层建筑结构设计要点与常见问题探讨

高层建筑结构设计要点与常见问题探讨
向爱国
摘要：随着高层建筑在我国的迅速发展，建筑高度的不断增加，建筑类型与功能愈来愈复杂，结构体系的更加多样化，高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。本文就高层建筑结构设计的特点和高层建筑的结构变形特点进行分析，并对设计过程中常见问题进行解析。建筑设计论文,论文发表,论文网,职称论文
关键词：高层建筑设计；设计分析；常见问题探讨；
一．高层建筑结构设计特点
1.1 水平荷载成为决定因素
一方面，因为楼房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，仅与楼房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引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对一定高度楼房来说，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，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。
1.2 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，会得出偏于不安全的结果。
1.3 侧移成为控制指标
与较低楼房不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，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。
1.4 结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言, 高层建筑结构更柔一些，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。
二．高层建筑结构的变形特点
在竖向荷载作用下，高层建筑结构的变形主要是竖向构件的压缩变形。由于各竖向构件的应力大小不同，因而其压缩变形大小也不同。在钢筋混凝土结构中，由于在施工过程中的找平，同时由于各竖向构件的基底轴力大小不同，若不对基底应力进行调整，也可能导致基础产生不均匀沉降。在水平荷载作用下，高层建筑结构最大的顶点位移为：水平均布荷载△ max=qH4/8EI，倒三角形水平荷载max=11qH4/120EI，式中EI 为结构，从以上可看出，结构顶点位移与其总高度的四次方成正比。则又比水平荷载作用下的内力累积效应增加更快，这就说明，高层建筑结构对结构的水平侧移是相当敏感的。水平荷载作用下所引起的结构内力及侧移是高层建筑结构设计的主要控制因素。所以结构应具备较大的抗侧度，而不仅仅满足强度、刚度和稳定要求。
三．高层建筑结构分析
3.1 高层建筑结构分析的基本假定
高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、筒体等）通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系，要想完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。以下是常见的一些基本假定：
（1 ）弹性假定：目前，工程上使用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是，在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移而出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。如果此时仍按弹性方法计算内力和位移，则不能反映结构的真实工作状态，而应按弹塑性动力分析方法进行设计。
（2 ）小变形假定：小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。有不少研究人员对几何非线性问题（P -Δ效应）进行了研究。一般认为，当顶点水平位移Δ与建筑物高度H 的比值Δ/H > 1 /500时，则P -Δ效应的影响就不能忽视。
（3 ）刚性楼板假定：许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法，并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般来讲，对于框架体系和剪力墙体系，采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，如楼板刚度较小、主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，则楼板变形的影响较大，特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可对这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。
（4 ）计算图形的假定：高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形主要是三维空间分析。二维协同分析并未考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调（竖向位移和转角的协调），而且忽略了抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度，对于具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6 个自由度；按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲。
3.2 高层建筑结构静力分析方法
（1）框架- 剪力墙结构：框架- 剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大多采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式也不相同。框架- 剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。
（2）剪力墙结构：剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。按受力特性的不同，单片剪力墙可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。剪力墙的类型不同，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法，此法较为精确，而且适用于各类剪力墙。但由于其自由度较多, 机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。
（3）筒体结构：按照对计算模型处理手法的不同，筒体结构的分析方法可分为3 类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只进行几何分布上的连续化，以便应用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上来分析。这类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型, 是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆薄壁杆系矩阵位移法。这种方法是将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构，空间梁柱每端节点有6个自由度。核心筒或剪力墙的墙肢采用符拉索夫薄壁杆件理论分析，每端节点有7个自由度, 比空间杆增加了1个翘曲自由度，对应的内力是双弯矩。三维空间分析的精度较高，但其未知量较多, 计算量较大，在不引入其他假定时，每一楼层的总自由度数为6Nc +7Nw（N c、Nw 为柱及墙肢数目）。通常均引入刚性楼板假定，并假定同一楼面上各薄壁柱的翘曲角相等，这样每一楼层的总自由度数降为3 （N c+Nw）+ 4，这是目前工程上采用最多的计算模型。
四．高层建筑结构设计过程中常见的问题及其对策
4.1 高度问题
按我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ3 -2002) 规定, 综合考虑经济与适用的原则, 给出了各种常见结构体系的最大适用高度, 详见表1。这个高度是在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下, 较为稳妥的, 也是与目前整个土木工程规范体系相协调的。可实际上, 已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制, 如: 采用组合结构体系的金茂大厦, 高达420115m (建筑高度) ; 采用混凝土结构体系的中信广场, 也高达322 m (建筑高度) 。对于超高限建筑物, 应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下,超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加, 许多影响因素将发生质变, 即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围, 如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。
表1 钢筋混凝土结构高楼的最大适用高度（m）

非抗震抗震设防裂度
结构体系设计 6度 7度 8度 9度
现浇 70 60 55 45 25
框架整体装配 60 50 35 25 不应采用
框架-剪力墙现浇 140 130 120 100 50
和框架筒体装配整体 100 100 90 70 不应采用
无框支墙 150 140 120 100 60
现浇剪力墙部分框支墙 130 120 100 80 不应采用
筒中筒及成束简 200 180 150 120 80

4.2 材料的选用和结构体系问题
在地震多发区, 采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题。我国150 m以上的建筑, 采用了三种主要结构体系: 框一筒、筒中筒和框架一支撑。这些也是其他国家高层建筑经常采用的主要结构体系。但国外在地震区, 多是以钢结构为主, 而在我国, 钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构, 在国内外都还没有经受较大地震作用的考验。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力, 有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主, 变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大, 靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移, 不仅增大了钢结构的负担, 而且效果不大, 有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构,形成加强层才能满足规范侧移限值。此外, 在结构体系或柱距变化时, 需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变, 常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大, 且加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。此在需要设置加强层及转换层时, 要慎重选择其结构模式, 尽量降低其本身刚度, 以减少不利影响。在高层建筑中, 根据现在我国建筑钢材的类型、品种和钢结构的加工制造能力, 建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱) 结构或钢结构, 以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后, 为减小风振,钢骨(钢管) 混凝土通常作为首选。采用格构式的型钢时,震害严重, 采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的, 则震害要减少许多。
4.3 轴压比与短柱问题
在钢筋混凝土高层建筑结构中, 往往为了控制柱的轴压比而使柱的截面很大, 而柱的纵向钢筋却为构造配筋。即使采用高强混凝土, 柱断面尺寸也不能明显减小。限制柱的轴压比是为了使柱子处于大偏压状态, 防止受拉钢筋未达屈服而混凝土被压碎。柱的塑性变形能力小, 则结构的延性就差, 当遭遇地震时, 耗散和吸收地震能量少,结构容易被破坏。但是在结构中若能保证强柱弱梁设计, 且梁具有良好延性, 则柱子进入屈服的可能性就大大减少,此时可放松轴压比值。另外, 许多高层建筑底几层柱的长细比虽然小于4, 但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比, 只有剪跨比小于2的柱才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值, 柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。
4.4 在某些烈度区采用较低的抗震措施与构造措施
现在许多专家学者提出, 现行的建筑结构设计安全度己不能适应国情的需要, 认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外, 对于“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”这个抗震设计原则, 在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准比较低, 当取50年为分析年限时, 小震烈度对应的被超越概率为6312% , 重现期为50年, 中震烈度对应的被超越的概率为10% , 重现期为475年, 大震对应的超越的概率为2%左右, 重现期为2000年左右, 同时规定抗震设防烈度与设计基本地震加速度的对应关系。设防标准低的根本原因在于国家财力物力有限。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外, 具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外; 在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上, 与外国相比,也有异同, 其中的8度区, 我国就明显不如外国严格。随着社会财富的增长, 结构失效带来的损失愈来愈大,加之结构造价在整个投资中的比例下降, 因而结构在设防烈度下应该采用弹性设计, 特别是高烈度区要有严格的抗震措施与抗震构造措施来保证结构的安全。
五.结语
高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析，多做方案比较，根据使用功能和受力的合理性确定好结构的体系，是用剪力墙结构还是框架结构等，再从结构的整体去分析它的刚度比、周期比、剪重比、位移比、是否考虑P-Δ效应、结构稳定验算等。高层建筑的竖向结构体系从上到下一层层地传递累积着重力荷载, 因此要求较大的柱或墙截面来承受这些荷载。同时, 这些竖向结构体系还必须把风荷载或地震作用等侧向荷载传给基础。可是, 与竖向荷载相比, 侧向荷载对建筑物的效应不是线性的, 而是随建筑物的增高而迅速增大。高层建筑结构设计有如下一些特点: 水平荷载起控制作用, 侧面位移必须加以限制, 轴向变形在侧移中占有很大的份额, 所以在结构体系选型时应充分考虑这几个特点。对于低层、多层或高层建筑, 其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的。但随着高度的增加, 由于以下两个原因, 竖向结构体系成为设计的控制因素: 一个是较大的竖向荷要求有较大的柱、墙和井筒; 另一个更重要的是,侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多, 高层建筑结构设计人员必须以精心设计来保证。