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摘要：随着高层建筑在我国大部分地区建造的越来越广泛，结构设计也越来越丰富，这给高层建筑结构分析及设计提出了更高的要求，如何才能高效保证钢筋混凝土高层建筑结构的耐久性及安全性，是工程师设计高层建筑结构时急需解决的重要课题。
关键词：高层建筑；钢筋混凝土；结构设计
中圖分类号： TU97文献标识码： A
1. 提高结构重要部位的延性，防止截面钢筋超配
(1)要使高层建筑结构在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力。最理想的办法是使结构中所有的构件都具有很高的延性。然而在实际工程中很难完全做到这一点，比较经济的办法是有选择有重点的提高结构中重要构件或某些构件关键部位的延性。在结构竖向，对于刚度沿高度均匀分布的、体形较简单的高层建筑，应着重提高底层构件的延性；对于大底盘高层建筑，应着重提高主楼与裙房顶面相衔接的楼层构件的延性；对框支结构，应着重提高底层或底部几层框架的延性；在结构平面位置上．应着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处构件的延性；对偏心结构，应加大房屋周边特别是刚度较弱一侧构件的延性；对具有多道抗震防线抗侧力构件，应着重提高第一道抗震防线构件的延性。
(2)使结构能进入弹塑性状态，并能通过结构的塑性变形吸收地震能量、抗御更高烈度的地震，从而达到“中震可修、大震不倒”的设防目标。这样，就必须做到“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”的设计原则，才能使结构在进入弹塑性状态后形成合理的延性较大的屈服机制。在强震作用下，结构的内力是按照各构件的实际承载力进行分配的，而构件实际承载力的大小和构件截面的实际配筋有关。然而在实际结构设计时，工程师往往对某些构件的配筋进行放大调整，形成了强梁弱柱、强杆件弱节点的不利情况。这样做的结果可以保证构件小震不坏，但是因为不能形成延性结构就不能保证大震不倒。例如将柱子纵筋不恰当的加大后，其截面的实际抗弯承载力会提高很多，地震时实际承受的弯矩很大，而由实际弯矩算出的剪力也会加大，可是构件的斜截面承载力没有提高，从而形成了所谓的强弯弱剪构件，脆性加大，延性降低，强震时结构的耗能能力和抗震性能都会变得很差，处于不安全状态。因此在设计工作中，必须注意构件截面纵向钢筋的超配现象，同时也要注意材料的超强问题。
2.注意高大建筑的整体稳定性
对高层建筑来说，在抗震设计中，房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。建筑物的高宽比愈大，也就是说建筑物愈瘦高，在地震作用下的侧移就愈大，地震引起的倾覆作用就愈严重，巨大的倾覆力矩在柱中和基础中引起的拉力和压力比较难处理。结合几年来的工程实践，有以下几点体会：
(1)对整个建筑进行抗倾覆稳定性验算，使地震作用下的倾覆力矩与相应的重力荷载在基础与地基交界面上的合力作用点，不超出力矩作用方向抗倾覆构件基础边长的1／4。
(2)加大建筑物下部几层的宽度，使其满足规范高宽比的限值，但尽可能避免形成大底盘建筑。
(3)使基础有足够的埋置深度。部分设计图纸的裙楼和高层主楼从地上到地下用变形缝彻底分开，导致主楼基础埋深不够或者根本没有埋深。地震时会使建筑物发生滑移、整体倾斜甚至倾覆。
(4)对于高宽比很大的高层建筑，建议尽可能采用深基础，即采用配有钢筋的桩基础，桩基础钢筋在承台内的锚固长度要足够大。因为桩是埋在土中的细长构件，由于桩土摩擦力的存在，桩的抗拔性能较好，很好地抵抗上部结构的倾覆。
3.剪力墙设计中需要注意的几个问题
3.1抗震设计中的短柱困扰
建筑抗震设计对结构构件有明确的延性要求。轴压比和剪跨比是影响构件延性的最主要的两个因素，也是一对互相矛盾的因素。在层高一定的情况下，为提高延性而降低轴压比则会导致柱截面增大——轴压比越小截面越大；而截面增大导致剪跨比减小，又降低了构件的延性。因此，在高层特别是超高层建筑结构设计中，为满足规程《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》对轴压比限值的要求，柱子的截面往往比较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。另外，诸如图书馆的书库、层高较低的储藏室、高层建筑的地下车库等由于使用荷载大，层高较低，不可避免地会出现短柱。众所周知，短柱的延性很差，超短柱几乎没有延性，在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时，很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌。因此，必须在高层建筑抗震设计中避免短柱的脆性破坏问题。
3.2规范规定，剪力墙在端部应设置暗柱、端柱等边缘构件
剪力墙端部边缘构件的作用相当于砖混结构的约束柱，当结构的刚度较小，地震作用下层间位移和顶点位移较大时，边缘构件所起的作用也就越大，此时暗柱的截面和配筋就应加大。如果剪力墙的总截面面积与楼层面积之比值较大时，且房屋高度较小、楼座面积较大时，墙端部的暗柱面积和配筋量就不需按规范要求设置那么多。
3.3大开间剪力墙结构的优点
在钢筋混凝土剪力墙结构中，采用大开间剪力墙还是小开间剪力墙结构好，一直争论的焦点问题。总的来说，大开间剪力墙结构的优点较多：
(1)墙体数量少，相应的混凝土用量少，墙体的约束构件少，结构自重轻；
(2)相对小开间剪力墙结构，其抗推刚度小，自振周期长，水平地震作用小；
(3)墙体的配筋率适当，结构的延性增加，地震时能充分发挥墙体约束构件的作用；
(4)使用空间大，建筑布置灵活。
缺点是：①楼板跨度大，钢筋用量大；②要求设置高效轻质的隔墙，造价高。
4.地下室层数的输入处理
在电算时，应将地下室层数和上部结构—起输入，并在总信息中按实际的地下室层数填写。这样，计算地基和基础底板的竖向荷载可以一次形成，并且在抗震计算时，程序会自动对框架底层柱底截面的弯矩设计值乘以增大系数。同时通过对层侧移刚度比的分析比较，还可以正确判断和调整房屋的嵌固位置，并采取相应的抗震构造措施，保证楼板有必要的厚度和最小配筋率等等；当结构表现为竖向不规则时，不仅要验算薄弱层，而且还要对薄弱层的地震剪力乘以1．15的增大系数。如果在结构总体计算时，总信息中填写的地下室层数少于实际输入的层数，弯矩设计值增大系数将会乘错位置，从而在发生地震时，会使极易发生震害的底层柱底部位因抗震能力降低而破坏。
5.超长结构的温度变形和混凝土干缩变形
《混凝土结构设计规范》规定，在室内条件下现浇框架结构伸缩缝的最大间距为55m，现浇剪力墙结构伸缩缝的最大间距为45m；在露天条件下，结构伸缩缝的间距还要小。这样规定的目的就是解决以下两个方面的问题：
(1)现浇混凝土在凝固硬化时会产生收缩应力，以致在结构中形成干缩裂缝，结构越长，干缩的影响越大。
(2)结构在使用其间必然要经过春夏秋冬季节的变化。大气温度的变化会使结构产生热胀冷缩，从而在结构中造成温度裂缝，同样，结构越长，温度的影响越大。
但是，在实际工程中超长建筑物常常出现。如果按规定去设伸缩缝，就会出现双墙、双柱、双梁，给建筑物的立面处理、防水构造带来很大的困难。
为了解决超长结构混凝土干缩裂缝的问题，目前常常采用的一种办法是设置混凝土后浇带，即将较大的楼板面积划分成小的区格，首先用混凝土浇筑小的区格，当小区格混凝土干缩变形大部分完成后，再浇筑区格之间的预留带。这样在很大程度上减少了结构的干缩裂缝。
但是，后浇带不能代替结构的温度伸缩缝。因为后浇带混凝土硬化后，楼板连接成一个较长的整体，后浇带的作用不再存在。有资料表明，在温差作用下，结构的应力变化规律如下：①屋面或屋面下1层—2层应力较大，以下各层迅速递减：②同一层楼板处中间应力大，两边应力小；③对剪力墙来讲则是两端应力大，中间应力小；④对于山墙来讲顶部几层的拉应力大：⑤结构刚度突变的一层应力大，比如结构转换层上面的那一层。
根据以上温度应力变化规律，对于超长结构还可以采取以下措施：①加强屋面、外墙面的保温隔热措施，减少阳光对结构的直接辐射；②对温度应力较大的部位加强配筋，温度钢筋要设置的细而密；③对屋顶外露挑檐板、女儿墙等构件，每隔15m左右设置一道缝，缝宽20mm，缝内纵向钢筋可以不断开。
参考文献：
【1】国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2010年版）.北京：中国建筑工业出版社，2010
【2】行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》（JCJ3-2010）.北京：中国建筑工业出版社
【3】李国胜编著《 多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例》．北京：中国建筑工业出版社，2004
【4】郭继武编著《 建筑抗震设计》（第二版）．北京：中国建筑工业出版社，2009
【5】尚守平主编 周福霖副主编《 结构抗震设计》．北京：高等教育出版社，2006
【6】高立人 方鄂华 钱嫁茹编著《 高层建筑结构概念设计》．北京：中国计划出版社，2005
关键词：高层建筑；钢筋混凝土；结构设计
中圖分类号： TU97文献标识码： A
1. 提高结构重要部位的延性，防止截面钢筋超配
(1)要使高层建筑结构在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力。最理想的办法是使结构中所有的构件都具有很高的延性。然而在实际工程中很难完全做到这一点，比较经济的办法是有选择有重点的提高结构中重要构件或某些构件关键部位的延性。在结构竖向，对于刚度沿高度均匀分布的、体形较简单的高层建筑，应着重提高底层构件的延性；对于大底盘高层建筑，应着重提高主楼与裙房顶面相衔接的楼层构件的延性；对框支结构，应着重提高底层或底部几层框架的延性；在结构平面位置上．应着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处构件的延性；对偏心结构，应加大房屋周边特别是刚度较弱一侧构件的延性；对具有多道抗震防线抗侧力构件，应着重提高第一道抗震防线构件的延性。
(2)使结构能进入弹塑性状态，并能通过结构的塑性变形吸收地震能量、抗御更高烈度的地震，从而达到“中震可修、大震不倒”的设防目标。这样，就必须做到“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”的设计原则，才能使结构在进入弹塑性状态后形成合理的延性较大的屈服机制。在强震作用下，结构的内力是按照各构件的实际承载力进行分配的，而构件实际承载力的大小和构件截面的实际配筋有关。然而在实际结构设计时，工程师往往对某些构件的配筋进行放大调整，形成了强梁弱柱、强杆件弱节点的不利情况。这样做的结果可以保证构件小震不坏，但是因为不能形成延性结构就不能保证大震不倒。例如将柱子纵筋不恰当的加大后，其截面的实际抗弯承载力会提高很多，地震时实际承受的弯矩很大，而由实际弯矩算出的剪力也会加大，可是构件的斜截面承载力没有提高，从而形成了所谓的强弯弱剪构件，脆性加大，延性降低，强震时结构的耗能能力和抗震性能都会变得很差，处于不安全状态。因此在设计工作中，必须注意构件截面纵向钢筋的超配现象，同时也要注意材料的超强问题。
2.注意高大建筑的整体稳定性
对高层建筑来说，在抗震设计中，房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。建筑物的高宽比愈大，也就是说建筑物愈瘦高，在地震作用下的侧移就愈大，地震引起的倾覆作用就愈严重，巨大的倾覆力矩在柱中和基础中引起的拉力和压力比较难处理。结合几年来的工程实践，有以下几点体会：
(1)对整个建筑进行抗倾覆稳定性验算，使地震作用下的倾覆力矩与相应的重力荷载在基础与地基交界面上的合力作用点，不超出力矩作用方向抗倾覆构件基础边长的1／4。
(2)加大建筑物下部几层的宽度，使其满足规范高宽比的限值，但尽可能避免形成大底盘建筑。
(3)使基础有足够的埋置深度。部分设计图纸的裙楼和高层主楼从地上到地下用变形缝彻底分开，导致主楼基础埋深不够或者根本没有埋深。地震时会使建筑物发生滑移、整体倾斜甚至倾覆。
(4)对于高宽比很大的高层建筑，建议尽可能采用深基础，即采用配有钢筋的桩基础，桩基础钢筋在承台内的锚固长度要足够大。因为桩是埋在土中的细长构件，由于桩土摩擦力的存在，桩的抗拔性能较好，很好地抵抗上部结构的倾覆。
3.剪力墙设计中需要注意的几个问题
3.1抗震设计中的短柱困扰
建筑抗震设计对结构构件有明确的延性要求。轴压比和剪跨比是影响构件延性的最主要的两个因素，也是一对互相矛盾的因素。在层高一定的情况下，为提高延性而降低轴压比则会导致柱截面增大——轴压比越小截面越大；而截面增大导致剪跨比减小，又降低了构件的延性。因此，在高层特别是超高层建筑结构设计中，为满足规程《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》对轴压比限值的要求，柱子的截面往往比较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。另外，诸如图书馆的书库、层高较低的储藏室、高层建筑的地下车库等由于使用荷载大，层高较低，不可避免地会出现短柱。众所周知，短柱的延性很差，超短柱几乎没有延性，在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时，很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌。因此，必须在高层建筑抗震设计中避免短柱的脆性破坏问题。
3.2规范规定，剪力墙在端部应设置暗柱、端柱等边缘构件
剪力墙端部边缘构件的作用相当于砖混结构的约束柱，当结构的刚度较小，地震作用下层间位移和顶点位移较大时，边缘构件所起的作用也就越大，此时暗柱的截面和配筋就应加大。如果剪力墙的总截面面积与楼层面积之比值较大时，且房屋高度较小、楼座面积较大时，墙端部的暗柱面积和配筋量就不需按规范要求设置那么多。
3.3大开间剪力墙结构的优点
在钢筋混凝土剪力墙结构中，采用大开间剪力墙还是小开间剪力墙结构好，一直争论的焦点问题。总的来说，大开间剪力墙结构的优点较多：
(1)墙体数量少，相应的混凝土用量少，墙体的约束构件少，结构自重轻；
(2)相对小开间剪力墙结构，其抗推刚度小，自振周期长，水平地震作用小；
(3)墙体的配筋率适当，结构的延性增加，地震时能充分发挥墙体约束构件的作用；
(4)使用空间大，建筑布置灵活。
缺点是：①楼板跨度大，钢筋用量大；②要求设置高效轻质的隔墙，造价高。
4.地下室层数的输入处理
在电算时，应将地下室层数和上部结构—起输入，并在总信息中按实际的地下室层数填写。这样，计算地基和基础底板的竖向荷载可以一次形成，并且在抗震计算时，程序会自动对框架底层柱底截面的弯矩设计值乘以增大系数。同时通过对层侧移刚度比的分析比较，还可以正确判断和调整房屋的嵌固位置，并采取相应的抗震构造措施，保证楼板有必要的厚度和最小配筋率等等；当结构表现为竖向不规则时，不仅要验算薄弱层，而且还要对薄弱层的地震剪力乘以1．15的增大系数。如果在结构总体计算时，总信息中填写的地下室层数少于实际输入的层数，弯矩设计值增大系数将会乘错位置，从而在发生地震时，会使极易发生震害的底层柱底部位因抗震能力降低而破坏。
5.超长结构的温度变形和混凝土干缩变形
《混凝土结构设计规范》规定，在室内条件下现浇框架结构伸缩缝的最大间距为55m，现浇剪力墙结构伸缩缝的最大间距为45m；在露天条件下，结构伸缩缝的间距还要小。这样规定的目的就是解决以下两个方面的问题：
(1)现浇混凝土在凝固硬化时会产生收缩应力，以致在结构中形成干缩裂缝，结构越长，干缩的影响越大。
(2)结构在使用其间必然要经过春夏秋冬季节的变化。大气温度的变化会使结构产生热胀冷缩，从而在结构中造成温度裂缝，同样，结构越长，温度的影响越大。
但是，在实际工程中超长建筑物常常出现。如果按规定去设伸缩缝，就会出现双墙、双柱、双梁，给建筑物的立面处理、防水构造带来很大的困难。
为了解决超长结构混凝土干缩裂缝的问题，目前常常采用的一种办法是设置混凝土后浇带，即将较大的楼板面积划分成小的区格，首先用混凝土浇筑小的区格，当小区格混凝土干缩变形大部分完成后，再浇筑区格之间的预留带。这样在很大程度上减少了结构的干缩裂缝。
但是，后浇带不能代替结构的温度伸缩缝。因为后浇带混凝土硬化后，楼板连接成一个较长的整体，后浇带的作用不再存在。有资料表明，在温差作用下，结构的应力变化规律如下：①屋面或屋面下1层—2层应力较大，以下各层迅速递减：②同一层楼板处中间应力大，两边应力小；③对剪力墙来讲则是两端应力大，中间应力小；④对于山墙来讲顶部几层的拉应力大：⑤结构刚度突变的一层应力大，比如结构转换层上面的那一层。
根据以上温度应力变化规律，对于超长结构还可以采取以下措施：①加强屋面、外墙面的保温隔热措施，减少阳光对结构的直接辐射；②对温度应力较大的部位加强配筋，温度钢筋要设置的细而密；③对屋顶外露挑檐板、女儿墙等构件，每隔15m左右设置一道缝，缝宽20mm，缝内纵向钢筋可以不断开。
参考文献：
【1】国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2010年版）.北京：中国建筑工业出版社，2010
【2】行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》（JCJ3-2010）.北京：中国建筑工业出版社
【3】李国胜编著《 多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例》．北京：中国建筑工业出版社，2004
【4】郭继武编著《 建筑抗震设计》（第二版）．北京：中国建筑工业出版社，2009
【5】尚守平主编 周福霖副主编《 结构抗震设计》．北京：高等教育出版社，2006
【6】高立人 方鄂华 钱嫁茹编著《 高层建筑结构概念设计》．北京：中国计划出版社，2005