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【摘要】在高层建筑的结构设计中,很多重要的因素决定着楼体的质量,所以在设计的时候必须要仔细的研究后才能落实。本文分析了高层建筑结构设计的基本特征，研究探讨了高层混凝土结构设计应关注的问题及解决措施。
【关键词】高层混凝土结构设计
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
近年来,高层建筑发展十分迅速,如雨后春笋林立于世界各地,具有强大的生命力。它的突出优点是有效地利用空间资源,占地面积小,可缓解大城市的住房困难、交通拥挤和用地紧张等问题。随着高层建筑进一步的发展,满足高层建筑的形式、材料、力学分析模型都将日趋复杂且多元化。为了革新高层建筑,体现其魅力,追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。
一、高层建筑结构设计的基本特征
1、侧向力(风或水平地震作用)成为影响结构内力、结构变形及建筑物土建造价的主要因素。高层建筑和低层建筑一样,承受自重、活载、雪载等垂直荷载和风、地震等水平力。在低层结构中,水平荷载产生的内力和位移很小,可以忽略不计;在多层结构中,水平荷载的效应(内力和位移)逐渐增大;在高层建筑中,水平荷载和地震力将成为主要的控制因素。
2、结构应具有适宜刚度。随着高度的增加,高层建筑的侧向位移迅速增大。因此设计高层建筑时不经要求结构有足够的强度,而且要求结构有适宜的刚度,使结构有合理的自振频率等动力特性,并使水平力作用下的层位移控制在一定范围之内。
3、结构应具有良好的延性。相对于较低楼房而言,高楼结构更柔一些,在地震作用下的变形更大一些。建筑结构的耐震主要取决于结构的承载力和变形能力两个因素。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,避免高层建筑在大震下倒塌,必须在满足必要强度的前提下,通过优良的概念设计和合理的构造措施,来提高整个结构、特别是薄弱层(部位)的变形能力,来保证结构具有足够的延性。
因此,在结构设计中应综合考虑这些因素,合理设计,使结构具有足够的强度、适宜的刚度、良好的延性。
二、高层混凝土结构设计应关注的问题及解决措施
1、关于结构布置
一个好的结构设计首先应做好结构总体布置, 高层混凝土结构设计总体布置时, 应着重考虑以下几个方面内容：（1）采用对抗震有利的建筑平面和立面、对抗震有利的结构布置, 即采用规则结构, 不应采用严重不规则结构。（2）具有明确的计算简图, 能够采用明确的力学模型进行结构地震反应分析,得到符合实际得结果。（3）具有合理的、直接的传力途径。作用在上部结构的竖向力和水平力, 能通过直接的、不间断的传力途径传递到基础, 避免迂回。（4）具有整体牢固性和尽量多的冗余度。结构的整体牢固性和冗余度是结构抗倒塌所必须的。部分结构构件破坏局部倒塌时, 不应导致整个结构的承载力丧失而引起整个结构的倒塌。（5）构件与构件之间、结构与结构之间, 或是牢固连接,或是彻底分离, 避免似连接非连接、似分离非分离的不确定状态。（6）设置多道抗震防线。适当处理结构单元承载能力的强弱关系和结构构件承载能力的强弱关系, 形成两道或更多的抗震防线, 是增强结构抗倒塌能力的重要措施。
设计时应遵循上述原则, 结构平面布置时应尽量选择简单、规则、对称、长宽比不大的平面。这样的平面可使承载力、刚度、质量分布对称、均匀, 刚度中心与质量中心尽可能重合, 减小扭转效应。实现对抗震有利的结构平面布置关键在于：（1）刚度中心与质量中心尽可能重合, 减小地震对结构产生的扭转影响。工程实例表明, 对于框架结构, 只要对称布置刚度较大的隔墙, 其扭转效应一般不大, 因此在设计时应多与建筑专业沟通, 尽量满足该要求。（2）增大结构的抗扭刚度, 减小地震作用下的扭转反应。设计中应注意: 过于狭长的建筑, 结构自身的扭转反应以及地震的扭转作用对两端结构单元有较大的影响, 有可能产生震害; 两端结构单元的地震反应相差大。对于钢筋混凝土剪力墙或框架- 剪力墻等结构, 关键是合理布置剪力墙: 对称布置剪力墙可以减小扭转,将剪力墙围成井筒或两个方向的剪力墙互为端墙, 可以增大剪力墙的抗扭刚度, 将剪力墙设置在建筑的四周或靠近四周, 可以增大结构的抗扭刚度。
设计中还应注意: 建筑平面有长的外伸( 如: L形、H形、Y形等) 时, 在地震作用下, 外伸肢与主体结构之间, 或外伸肢之间出现相对运动, 两肢连接的角部应力集中, 容易产生震害。一般处理方法为: 设置抗震缝, 或在满足规范要求的前提下, 加强角部应力集中区的连接。对于角部重叠和细腰形的建筑平面, 在重叠部分和细腰部位平面变窄,形成薄弱部位, 容易形成震害, 凹角部位应力集中, 容易使楼板开裂破坏。
方案设计阶段应避免楼板变形的平面( 如楼板开大洞, 翼缘太长, 块体之间缩颈连接, 凹槽缺口太深等) , 若无法满足上述要求, 可通过增加联系梁、板,洞口边加设暗梁、边梁、提高暗梁的配筋率或采用双向斜向配筋等方法尽量消除不利影响。
2、关于结构计算
高层混凝土结构设计中需要控制结构的基本自振周期、结构层层间位移和楼层基底剪力三个重要参数, 第一自振周期是整体结构刚度的集中反应; 扭转为主第一自振周期与平动为主第一自振周期的比值是结构平面、结构体系能否直接提供抗扭刚度的直接体现; 结构楼层层间位移则是各楼层相对刚度的集中体现; 基底剪力是否大于基底最小剪力指标则是反应楼层的柔度指标。通过上述指标可反应出结构的整体受力性能, 可看出结构整体布置是否合理, 若不合理可通过局部调整结构平面, 或调整构件断面等进行处理。高层混凝土结构属于多次超静定结构, 所有构件均依据经验进行预估,因此结构计算往往需要反复调整才能通过计算。一般情况下会采用提高混凝土、钢筋强度或者增加超配筋构件的截面来试算超配筋构件, 如果我们能够换一个角度来考虑也许更加有效。我们应该明确结构调整之前应该完成哪些工作, 结构设计首先应按照常规建立数值模型, 估算结构自振周期, 判定结构抗震等级, 设置振型参与组合数以及地震作用方向等, 关键点在于所建立的结构模型楼层刚度中心与质量中心基本重合, 结构周边构件能有效抵抗扭转。其次应确定结构设计的合理性, 重新调整结构构件的布置, 使得自振周期、位移比、刚度比、层间受剪承载力及剪重比处于合理范围。
第三应对单根构件进行设计, 检查梁柱的超配筋信息, 调整构件的布置, 并且进行结构的优化设计。超配筋构件的调整, 应首先查出构件超筋的原因, 若盲目加强超筋构件, 所得结果往往超过我们的预期,可能得到很大的构件截面或者在第三阶段调整时很大程度上影响第二步的设计参数, 这里加强超配筋构件的截面或者强度, 整体结构的刚度得到加强, 整体刚度加大, 则楼层基底剪力增加, 超筋构件增加刚度后分担的剪力和弯距可能增长幅度更大, 我们将无法解决超筋问题。这时可通过增加远未达到承载力的构件刚度, 超配筋构件减小截面降低刚度从而解决超配筋问题。
总之，结构设计没有绝对最佳的标准模式，只有通过不断地探索、比较，去寻求相对的最优。因此，我们每一个行业工作这都应不断地追求尽善尽美的设计思想，不只盲目照搬规范和依赖计算机程序作设计，用自己的结构设计概念、经验、判断力和创造力为业主和社会设计出更好的建筑。
参考文献：
[1] 苏光能.高层建筑结构设计中混凝土的应用[J]. 中国新技术新产品. 2010(02)
[2] 徐涛.对高层建筑结构设计的分析[J]. 建材技术与应用. 2010(03)
[3] 黄顺河.高层建筑结构设计的一个实例[J]. 建筑设计管理. 2010(03)
【关键词】高层混凝土结构设计
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
近年来,高层建筑发展十分迅速,如雨后春笋林立于世界各地,具有强大的生命力。它的突出优点是有效地利用空间资源,占地面积小,可缓解大城市的住房困难、交通拥挤和用地紧张等问题。随着高层建筑进一步的发展,满足高层建筑的形式、材料、力学分析模型都将日趋复杂且多元化。为了革新高层建筑,体现其魅力,追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。
一、高层建筑结构设计的基本特征
1、侧向力(风或水平地震作用)成为影响结构内力、结构变形及建筑物土建造价的主要因素。高层建筑和低层建筑一样,承受自重、活载、雪载等垂直荷载和风、地震等水平力。在低层结构中,水平荷载产生的内力和位移很小,可以忽略不计;在多层结构中,水平荷载的效应(内力和位移)逐渐增大;在高层建筑中,水平荷载和地震力将成为主要的控制因素。
2、结构应具有适宜刚度。随着高度的增加,高层建筑的侧向位移迅速增大。因此设计高层建筑时不经要求结构有足够的强度,而且要求结构有适宜的刚度,使结构有合理的自振频率等动力特性,并使水平力作用下的层位移控制在一定范围之内。
3、结构应具有良好的延性。相对于较低楼房而言,高楼结构更柔一些,在地震作用下的变形更大一些。建筑结构的耐震主要取决于结构的承载力和变形能力两个因素。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,避免高层建筑在大震下倒塌,必须在满足必要强度的前提下,通过优良的概念设计和合理的构造措施,来提高整个结构、特别是薄弱层(部位)的变形能力,来保证结构具有足够的延性。
因此,在结构设计中应综合考虑这些因素,合理设计,使结构具有足够的强度、适宜的刚度、良好的延性。
二、高层混凝土结构设计应关注的问题及解决措施
1、关于结构布置
一个好的结构设计首先应做好结构总体布置, 高层混凝土结构设计总体布置时, 应着重考虑以下几个方面内容：（1）采用对抗震有利的建筑平面和立面、对抗震有利的结构布置, 即采用规则结构, 不应采用严重不规则结构。（2）具有明确的计算简图, 能够采用明确的力学模型进行结构地震反应分析,得到符合实际得结果。（3）具有合理的、直接的传力途径。作用在上部结构的竖向力和水平力, 能通过直接的、不间断的传力途径传递到基础, 避免迂回。（4）具有整体牢固性和尽量多的冗余度。结构的整体牢固性和冗余度是结构抗倒塌所必须的。部分结构构件破坏局部倒塌时, 不应导致整个结构的承载力丧失而引起整个结构的倒塌。（5）构件与构件之间、结构与结构之间, 或是牢固连接,或是彻底分离, 避免似连接非连接、似分离非分离的不确定状态。（6）设置多道抗震防线。适当处理结构单元承载能力的强弱关系和结构构件承载能力的强弱关系, 形成两道或更多的抗震防线, 是增强结构抗倒塌能力的重要措施。
设计时应遵循上述原则, 结构平面布置时应尽量选择简单、规则、对称、长宽比不大的平面。这样的平面可使承载力、刚度、质量分布对称、均匀, 刚度中心与质量中心尽可能重合, 减小扭转效应。实现对抗震有利的结构平面布置关键在于：（1）刚度中心与质量中心尽可能重合, 减小地震对结构产生的扭转影响。工程实例表明, 对于框架结构, 只要对称布置刚度较大的隔墙, 其扭转效应一般不大, 因此在设计时应多与建筑专业沟通, 尽量满足该要求。（2）增大结构的抗扭刚度, 减小地震作用下的扭转反应。设计中应注意: 过于狭长的建筑, 结构自身的扭转反应以及地震的扭转作用对两端结构单元有较大的影响, 有可能产生震害; 两端结构单元的地震反应相差大。对于钢筋混凝土剪力墙或框架- 剪力墻等结构, 关键是合理布置剪力墙: 对称布置剪力墙可以减小扭转,将剪力墙围成井筒或两个方向的剪力墙互为端墙, 可以增大剪力墙的抗扭刚度, 将剪力墙设置在建筑的四周或靠近四周, 可以增大结构的抗扭刚度。
设计中还应注意: 建筑平面有长的外伸( 如: L形、H形、Y形等) 时, 在地震作用下, 外伸肢与主体结构之间, 或外伸肢之间出现相对运动, 两肢连接的角部应力集中, 容易产生震害。一般处理方法为: 设置抗震缝, 或在满足规范要求的前提下, 加强角部应力集中区的连接。对于角部重叠和细腰形的建筑平面, 在重叠部分和细腰部位平面变窄,形成薄弱部位, 容易形成震害, 凹角部位应力集中, 容易使楼板开裂破坏。
方案设计阶段应避免楼板变形的平面( 如楼板开大洞, 翼缘太长, 块体之间缩颈连接, 凹槽缺口太深等) , 若无法满足上述要求, 可通过增加联系梁、板,洞口边加设暗梁、边梁、提高暗梁的配筋率或采用双向斜向配筋等方法尽量消除不利影响。
2、关于结构计算
高层混凝土结构设计中需要控制结构的基本自振周期、结构层层间位移和楼层基底剪力三个重要参数, 第一自振周期是整体结构刚度的集中反应; 扭转为主第一自振周期与平动为主第一自振周期的比值是结构平面、结构体系能否直接提供抗扭刚度的直接体现; 结构楼层层间位移则是各楼层相对刚度的集中体现; 基底剪力是否大于基底最小剪力指标则是反应楼层的柔度指标。通过上述指标可反应出结构的整体受力性能, 可看出结构整体布置是否合理, 若不合理可通过局部调整结构平面, 或调整构件断面等进行处理。高层混凝土结构属于多次超静定结构, 所有构件均依据经验进行预估,因此结构计算往往需要反复调整才能通过计算。一般情况下会采用提高混凝土、钢筋强度或者增加超配筋构件的截面来试算超配筋构件, 如果我们能够换一个角度来考虑也许更加有效。我们应该明确结构调整之前应该完成哪些工作, 结构设计首先应按照常规建立数值模型, 估算结构自振周期, 判定结构抗震等级, 设置振型参与组合数以及地震作用方向等, 关键点在于所建立的结构模型楼层刚度中心与质量中心基本重合, 结构周边构件能有效抵抗扭转。其次应确定结构设计的合理性, 重新调整结构构件的布置, 使得自振周期、位移比、刚度比、层间受剪承载力及剪重比处于合理范围。
第三应对单根构件进行设计, 检查梁柱的超配筋信息, 调整构件的布置, 并且进行结构的优化设计。超配筋构件的调整, 应首先查出构件超筋的原因, 若盲目加强超筋构件, 所得结果往往超过我们的预期,可能得到很大的构件截面或者在第三阶段调整时很大程度上影响第二步的设计参数, 这里加强超配筋构件的截面或者强度, 整体结构的刚度得到加强, 整体刚度加大, 则楼层基底剪力增加, 超筋构件增加刚度后分担的剪力和弯距可能增长幅度更大, 我们将无法解决超筋问题。这时可通过增加远未达到承载力的构件刚度, 超配筋构件减小截面降低刚度从而解决超配筋问题。
总之，结构设计没有绝对最佳的标准模式，只有通过不断地探索、比较，去寻求相对的最优。因此，我们每一个行业工作这都应不断地追求尽善尽美的设计思想，不只盲目照搬规范和依赖计算机程序作设计，用自己的结构设计概念、经验、判断力和创造力为业主和社会设计出更好的建筑。
参考文献：
[1] 苏光能.高层建筑结构设计中混凝土的应用[J]. 中国新技术新产品. 2010(02)
[2] 徐涛.对高层建筑结构设计的分析[J]. 建材技术与应用. 2010(03)
[3] 黄顺河.高层建筑结构设计的一个实例[J]. 建筑设计管理. 2010(03)