论文部分内容阅读
摘 要：高层建筑结构设计在结构设计方面是重要的体现，并且许多因素制约着高层建筑结构设计，高层结构设计的概念、规范的理解、性能目标的确定、结构设计的基本规定以及荷载和地震的作用都需要明晰。本文通过实际工程案例，分析高层建筑结构设计应该注意的各项问题，并对其结构选型作出分析。
关键词：高层建筑；结构设计；结构选型
0 引言
随着人们对地上空间的拓展，高层建筑甚至超高层建筑发展迅速，根据我国建筑设计防火规范，10层以上的居住建筑和24m的房屋视为高层建筑，而根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）（以下简称《高规》），10层和10层以上或房屋高度大于28m的建筑物视作高层建筑。实际上，凡在设计、施工中需要考虑与高度有关的因素，如风、地震、温度、作用等的计算且设置电梯设备的建筑，即可称为高层建筑。结构体系的形式不可避免地与他支撑的建筑物形式密切相关，为此确定他的整体形式，是一种结构设计的行为形式，本文针對高层建筑结构设计的特点，结合实际工程对其结构选型，结构设计概念进行深入探讨。
1. 结构体系的选择
1.1框架结构体系
由梁柱等构件组成的结构所承担的体系称为框架结构，框架结构要保证足够的延性，对不同抗震等级采用不同构造措施，注意强剪弱弯、强柱弱梁和强节点弱构件的实现。
1.2 剪力墙结构体系
竖向和侧向荷载均由钢筋混凝土墙体承担的体系称为剪力墙结构体系，其构件属于片状构件，承载力大，平面内刚度大等特点，但也有剪切变形相对较大、平面外较薄弱等不理性能，为充分利用墙体能力，减轻结构重量，墙不宜太密，使得结构具有适宜的侧向刚度。
1.3框架剪力墙结构体系
框架和剪力墙整体共同抗侧向力，框剪结构在水平力作用下的变形曲线呈S型，由延性好的框架、抗侧力刚度大的带边框的剪力墙和有良好耗能性能连梁所组成，具有多道抗震防线，抗震性能较好。
1.4 筒中筒结构体系
房屋中部实腹筒和房屋外围的空腹筒通过楼盖连成整体工作，称为筒中筒体系，实腹筒汇集房屋所有服务设施，实腹筒与空腹筒之间为使用空间，其抗侧力和抗扭性能均佳，适用于房屋高而平面有近于方形、圆形、正多边形和长短边边长之比不大于1.5的矩形大楼，其缺点是密集柱柱距过小，有时为了扩大底部密集柱的柱距而采用诸如预应力大梁、桁架或连续拱等水平转换构件。
1.5 框架核心筒体系
外围的框架和内部中心区域的核心筒连成整体并承受所有荷载的体系，称框架—核心筒结构体系，其周边框架柱数量少，柱距大，框架分担的剪力和倾覆力矩都少，核心筒是关键的抗侧力构件，必须采取措施才能实现双重抗侧力体系。
1.6板柱—剪力墙体系
由无梁楼盖板与柱组成的板柱框架和剪力墙共同承受竖向和侧向荷载的结构体系，水平构件以板为主，仅在外圈采用梁柱框架，竖向构件有柱和剪力墙或核心筒，抗水平地震作用主要靠剪力墙和核心筒，板柱结构抗侧刚度较小。
2. 高层建筑结构设计探讨
2.1 结构分析软件的应用不当
应强化规范+计算+结构设计概念判断的原则进行，主要是从力学概念和工程经验进行合理分析，来判断结构整体位移、结构楼层剪力、振型形态和位移形态、结构自振周期、超筋超限情况等。
2.2结构概念设计的重要性
高层建筑结构设计要用整体构思来设计各部分体系，以承载力和变形能力为统一导向，设置多道抗震防线，关键构件传力模式越简单越好，结构刚心和质心尽量重合，避免出现软弱层和层间位移角、内力及传力途径的突变，竖向结构体系中合理布置柱间支撑，不能仅靠框架结构进行抗剪，因为其主要作用是抗弯，应适当布置剪力墙或者支撑。抗震需注意规则性和均匀性，多道抗震防线的抗震结构的多道抗震防线，应采用连肢墙、壁式框架的剪力墙结构，框架-剪力墙结构，框架—核心筒结构，筒中筒结构等多种抗侧力结构体系。此外，还应合理控制结构的塑性铰区域，掌握结构的屈服过程及最后形成的屈服机制。
2.3 重力二阶效应
高层建筑结构只要有水平侧移就会引起重力二阶效应，一般高层建筑结构，构件长细比不大，其挠曲二阶效应的影响相对较小，由于结构侧移和重力作用引起的二阶效应相对较为明显，应适当的控制剪重比以满足要求。
2.4筒体结构设计要点
筒体结构有较强的抗侧刚度，应注意筒体结构的分类及受力特点，熟悉各类型的最大适用高度及抗震等级，紧密结合规范，既要注意平面布置中刚度对称和质量对称，更要兼顾抗扭刚度，另外要重视起构造作用。核心筒内的墙肢布置应均匀对称，核心筒门洞的连梁刚度折减系数不宜小于0.5，当墙肢受弯承载能力很强，且连梁的过早屈服或破坏对其承受竖向荷载影响不大时，可取较小的刚度折减系数，按其内力分析结果，对墙肢进行截面设计。
2.5基于性能的抗震设计
高层建筑应选择所需的性能目标，抗震设计中更强调深入分析和论证，不同设防烈度和场地采用不同性能目标和抗震措施，判断结构可能出现的薄弱部位，使其达到预期的抗震性能目标。
2.6设计时重视经济指标
我国随着房屋建筑尚品化和设计工作的接轨，逐步要求进行限额设计，如建筑总造价，结构单位面积用钢量等，应适应当前市场经济形势，收集和积累有关房屋造价、单位面积用钢量和混凝土量以及新结构新材料的信息。
3. 某工程结构选型实例
某高层建筑，主楼建筑高度100m，建筑平面外轮廓尺寸约80m×80m，结构地下2层，地上16层，功能设有接待中心、展示中心、信息中心、资料中心、办公会议室等。其建筑方案表现为4个竖筒体系，4个竖筒之间间距40米。结构体系主要根据建筑功能要求，选择合理的结构型式，力求受力合理、方便施工、安全可靠、经济合理，并充分满足结构在施工和使用期间的强度、刚度和稳定性要求。根据建筑方案特点，可采用的结构选型探讨如下： 1.混凝土剪力墙结构形式：混凝土梁不能满足设计要求，方案不可行，预应力混凝土梁截面尺寸大难满足建筑要求，自重大，抗震不利，工期长，而且剪力墙结构要注意造价的影响，从经济的角度不适采用剪力墙结构形式。
2.型钢混凝土剪力墙结构形式：方案可行、成本合理，工艺复杂，自重大，抗震不利，工期长。
3.型钢+钢支撑结构形式：方案可行、成本相对混凝土剪力墙结构更合理，但存在施工工艺复杂等问题，抗侧刚度可调，而且工期长，本项目属于工期较紧张的工程，不适宜采用本方案。
4.方钢管混凝土柱+钢支撑结构形式：钢管混凝土构件的主要优点是抗压强度高，延性好，浇灌混凝土时不需模板，而且成本经济合理，工艺简单，抗侧刚度可调，工期短。
通过对比可知，方案3采用型钢柱工艺复杂，工期长，用钢量不会比方案4节约太多；方案4施工方便，工期短；方案2采用型钢混凝土剪力墙，自重大，抗震不利，优化为架空转换层以上采用方钢管（混凝土）柱。而方案四提出的钢管混凝土柱+钢支撑结构的方案，首先钢管混凝土构件是有效利用混凝土的约束强度，在三向约束下，混凝土的抗压强度可比单向抗压强度提高数倍，而且钢管混凝土构件的主要优点是抗压强度高，延性好，浇灌混凝土时不需模板。广泛用于高层建筑的柱子"拱桥的受压拱圈，高层建筑与高聳结构的受压弦杆等。施工工艺较为简单，工期较短，适合本工程方案，综上所述，选择方案4作为最终方案。
4. 结语
在进行高层建筑结构的选型和设计时，应综合考虑各方面影响因素，保证整体结构的安全性，避免因位移过大而发生结构的开裂、破坏、失稳和倾覆，且应设置多道抗震防线，充分考虑结构概念设计，尽量减少或防止结构构件以及非结构构件因室内装修的破坏，降低地震后破坏的维修费用，提高建筑物的舒适度和使用性，并且做到经济合理。
参考文献
[1] 顾详林.建筑混凝土结构设计[M].上海：同济大学出版社， 2011.
[2] 李国胜等.高层混凝土结构抗震设计要点、难点及实例[M].北京： 中国建筑工业出版社，2009.
[3] GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].
[4] JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[5] JGJ138-2001，2001型钢混凝土组合结构给水规程[S].
[6] GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].
关键词：高层建筑；结构设计；结构选型
0 引言
随着人们对地上空间的拓展，高层建筑甚至超高层建筑发展迅速，根据我国建筑设计防火规范，10层以上的居住建筑和24m的房屋视为高层建筑，而根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）（以下简称《高规》），10层和10层以上或房屋高度大于28m的建筑物视作高层建筑。实际上，凡在设计、施工中需要考虑与高度有关的因素，如风、地震、温度、作用等的计算且设置电梯设备的建筑，即可称为高层建筑。结构体系的形式不可避免地与他支撑的建筑物形式密切相关，为此确定他的整体形式，是一种结构设计的行为形式，本文针對高层建筑结构设计的特点，结合实际工程对其结构选型，结构设计概念进行深入探讨。
1. 结构体系的选择
1.1框架结构体系
由梁柱等构件组成的结构所承担的体系称为框架结构，框架结构要保证足够的延性，对不同抗震等级采用不同构造措施，注意强剪弱弯、强柱弱梁和强节点弱构件的实现。
1.2 剪力墙结构体系
竖向和侧向荷载均由钢筋混凝土墙体承担的体系称为剪力墙结构体系，其构件属于片状构件，承载力大，平面内刚度大等特点，但也有剪切变形相对较大、平面外较薄弱等不理性能，为充分利用墙体能力，减轻结构重量，墙不宜太密，使得结构具有适宜的侧向刚度。
1.3框架剪力墙结构体系
框架和剪力墙整体共同抗侧向力，框剪结构在水平力作用下的变形曲线呈S型，由延性好的框架、抗侧力刚度大的带边框的剪力墙和有良好耗能性能连梁所组成，具有多道抗震防线，抗震性能较好。
1.4 筒中筒结构体系
房屋中部实腹筒和房屋外围的空腹筒通过楼盖连成整体工作，称为筒中筒体系，实腹筒汇集房屋所有服务设施，实腹筒与空腹筒之间为使用空间，其抗侧力和抗扭性能均佳，适用于房屋高而平面有近于方形、圆形、正多边形和长短边边长之比不大于1.5的矩形大楼，其缺点是密集柱柱距过小，有时为了扩大底部密集柱的柱距而采用诸如预应力大梁、桁架或连续拱等水平转换构件。
1.5 框架核心筒体系
外围的框架和内部中心区域的核心筒连成整体并承受所有荷载的体系，称框架—核心筒结构体系，其周边框架柱数量少，柱距大，框架分担的剪力和倾覆力矩都少，核心筒是关键的抗侧力构件，必须采取措施才能实现双重抗侧力体系。
1.6板柱—剪力墙体系
由无梁楼盖板与柱组成的板柱框架和剪力墙共同承受竖向和侧向荷载的结构体系，水平构件以板为主，仅在外圈采用梁柱框架，竖向构件有柱和剪力墙或核心筒，抗水平地震作用主要靠剪力墙和核心筒，板柱结构抗侧刚度较小。
2. 高层建筑结构设计探讨
2.1 结构分析软件的应用不当
应强化规范+计算+结构设计概念判断的原则进行，主要是从力学概念和工程经验进行合理分析，来判断结构整体位移、结构楼层剪力、振型形态和位移形态、结构自振周期、超筋超限情况等。
2.2结构概念设计的重要性
高层建筑结构设计要用整体构思来设计各部分体系，以承载力和变形能力为统一导向，设置多道抗震防线，关键构件传力模式越简单越好，结构刚心和质心尽量重合，避免出现软弱层和层间位移角、内力及传力途径的突变，竖向结构体系中合理布置柱间支撑，不能仅靠框架结构进行抗剪，因为其主要作用是抗弯，应适当布置剪力墙或者支撑。抗震需注意规则性和均匀性，多道抗震防线的抗震结构的多道抗震防线，应采用连肢墙、壁式框架的剪力墙结构，框架-剪力墙结构，框架—核心筒结构，筒中筒结构等多种抗侧力结构体系。此外，还应合理控制结构的塑性铰区域，掌握结构的屈服过程及最后形成的屈服机制。
2.3 重力二阶效应
高层建筑结构只要有水平侧移就会引起重力二阶效应，一般高层建筑结构，构件长细比不大，其挠曲二阶效应的影响相对较小，由于结构侧移和重力作用引起的二阶效应相对较为明显，应适当的控制剪重比以满足要求。
2.4筒体结构设计要点
筒体结构有较强的抗侧刚度，应注意筒体结构的分类及受力特点，熟悉各类型的最大适用高度及抗震等级，紧密结合规范，既要注意平面布置中刚度对称和质量对称，更要兼顾抗扭刚度，另外要重视起构造作用。核心筒内的墙肢布置应均匀对称，核心筒门洞的连梁刚度折减系数不宜小于0.5，当墙肢受弯承载能力很强，且连梁的过早屈服或破坏对其承受竖向荷载影响不大时，可取较小的刚度折减系数，按其内力分析结果，对墙肢进行截面设计。
2.5基于性能的抗震设计
高层建筑应选择所需的性能目标，抗震设计中更强调深入分析和论证，不同设防烈度和场地采用不同性能目标和抗震措施，判断结构可能出现的薄弱部位，使其达到预期的抗震性能目标。
2.6设计时重视经济指标
我国随着房屋建筑尚品化和设计工作的接轨，逐步要求进行限额设计，如建筑总造价，结构单位面积用钢量等，应适应当前市场经济形势，收集和积累有关房屋造价、单位面积用钢量和混凝土量以及新结构新材料的信息。
3. 某工程结构选型实例
某高层建筑，主楼建筑高度100m，建筑平面外轮廓尺寸约80m×80m，结构地下2层，地上16层，功能设有接待中心、展示中心、信息中心、资料中心、办公会议室等。其建筑方案表现为4个竖筒体系，4个竖筒之间间距40米。结构体系主要根据建筑功能要求，选择合理的结构型式，力求受力合理、方便施工、安全可靠、经济合理，并充分满足结构在施工和使用期间的强度、刚度和稳定性要求。根据建筑方案特点，可采用的结构选型探讨如下： 1.混凝土剪力墙结构形式：混凝土梁不能满足设计要求，方案不可行，预应力混凝土梁截面尺寸大难满足建筑要求，自重大，抗震不利，工期长，而且剪力墙结构要注意造价的影响，从经济的角度不适采用剪力墙结构形式。
2.型钢混凝土剪力墙结构形式：方案可行、成本合理，工艺复杂，自重大，抗震不利，工期长。
3.型钢+钢支撑结构形式：方案可行、成本相对混凝土剪力墙结构更合理，但存在施工工艺复杂等问题，抗侧刚度可调，而且工期长，本项目属于工期较紧张的工程，不适宜采用本方案。
4.方钢管混凝土柱+钢支撑结构形式：钢管混凝土构件的主要优点是抗压强度高，延性好，浇灌混凝土时不需模板，而且成本经济合理，工艺简单，抗侧刚度可调，工期短。
通过对比可知，方案3采用型钢柱工艺复杂，工期长，用钢量不会比方案4节约太多；方案4施工方便，工期短；方案2采用型钢混凝土剪力墙，自重大，抗震不利，优化为架空转换层以上采用方钢管（混凝土）柱。而方案四提出的钢管混凝土柱+钢支撑结构的方案，首先钢管混凝土构件是有效利用混凝土的约束强度，在三向约束下，混凝土的抗压强度可比单向抗压强度提高数倍，而且钢管混凝土构件的主要优点是抗压强度高，延性好，浇灌混凝土时不需模板。广泛用于高层建筑的柱子"拱桥的受压拱圈，高层建筑与高聳结构的受压弦杆等。施工工艺较为简单，工期较短，适合本工程方案，综上所述，选择方案4作为最终方案。
4. 结语
在进行高层建筑结构的选型和设计时，应综合考虑各方面影响因素，保证整体结构的安全性，避免因位移过大而发生结构的开裂、破坏、失稳和倾覆，且应设置多道抗震防线，充分考虑结构概念设计，尽量减少或防止结构构件以及非结构构件因室内装修的破坏，降低地震后破坏的维修费用，提高建筑物的舒适度和使用性，并且做到经济合理。
参考文献
[1] 顾详林.建筑混凝土结构设计[M].上海：同济大学出版社， 2011.
[2] 李国胜等.高层混凝土结构抗震设计要点、难点及实例[M].北京： 中国建筑工业出版社，2009.
[3] GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].
[4] JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[5] JGJ138-2001，2001型钢混凝土组合结构给水规程[S].
[6] GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].