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摘 要：高层混凝土结构设计复杂， 应从结构构造措施等方面把握整个设计。本文通过结构选型、结构设计特点及结构布置等多个角度对高层混凝土结构设计进行了详细分析与探讨。
关键词：高层混凝土 结构设计特点 结构选型布置计算
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
0 前言
高层混凝土结构受力复杂， 然而习惯性的传统设计往往会给结构工程师造成一种错觉， 以为结构设计就是规范+计算机程序计算，忽略了对结构整体方案的把握。一个合格的结构工程师应具有清楚的结构设计概念，丰富的实际经验，正确的判断力，而规范和计算机程序只是实现设计的技术手段。一个结构工程师在每一项设计开始时， 就应凭借自身拥有的对结构体系及其受力、变形特性的整体概念和判断力，用概念设计去帮助建筑师实现业主所需要的建筑空间。在设计过程中，利用自己的力学概念，通过合理、有效地不断调整构件设计，提高结构设计安全度，提高经济效益及设计效率。
1 关于结构选型
1.1 结构的规则性问题。新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作被动。
1.2 结构的超高问题。在抗震规范与高规中，对结构的总高度都有严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为 A 级高度的建筑外，增加了 B 级高度的建筑，因此，必须对结构的该项控制因素严格注意，一旦结构为 B 级高度建筑甚或超过了B 级高度，其设计方法和处理措施将有较大的变化。
1.3 嵌固端的设置问题。由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
1.4短肢剪力墙的设置问题。在新规范中，对墙肢截面高厚比为5-8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
2 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- 剪力墙等结构，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，加强角部应力集中區的连接。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。
3 高层建筑结构设计特点
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，不仅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。
4 地基与基础设计
在这一阶段，所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。由于我国占地面积较广，地质条件相当复杂，《地基基础设计规范》无法对全国各地的地基基础都进行详细的描述和规定，因此，作为建立在国家标准之下的地方标准。地方性的“地基基础设计规范”能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确。
5 结构计算与分析
5.1 结构整体计算的软件选择。由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异，因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。所以，在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件。对计算结果的合理性、可靠性进行判断是十分必要的，是结构工程师最主要的任务之一，这项工作要以结构工程师的力学概念和丰富的工程经验为基础。
5.2 结构整体计算需控制的几个参数。①剪重比：控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。若过小，说明底部剪力过小，这时应注意结构位移和结构稳定是否满足要求。若过大，应检查输入信息是否有误或剪力墙过多结构太刚。②刚度比：控制结构竖向规则性，避免产生刚度突变。③位移比：控制结构平面规则性，以免产生扭转。它反映的是质心与刚心的偏离程度。平面布置宜规则，对称，使质心和刚心尽量重合。④周期比：控制结构扭转效应。结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，A 级高度高层建筑不应大于 0.9，B 级高度高层建筑不应大于 0.85。反映的是抗扭刚度与抗侧刚度之间的关系。⑤层间受剪承载力比：控制竖向不规则。
5.3 是否需要地震力放大，考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数，已列为强制性条文，需特别注意。
5.4 多塔结构和分缝结构的计算分析。一段时间以来，大底盘，多塔楼的高层建筑类型大量涌现，而在计算分析该类型高层建筑时，是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算，是结构工程师必须注意的问题。如果分开计算，下部裙房及基础计算误差较大，且各塔之间相互影响无法考虑。应先进行整体计算，但计算周期比时应将各塔分开。
5.5 非结构构件的计算与设计。在高层建筑中，往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。
对这部分内容，尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时，由于高层建筑的地震作用和风荷载均较大。因此，必须严格按照规范中的非结构构件的计算处理措施进行设计。
6 结语
随着建筑造型和建筑功能要求日趋多样化，不管是高层建筑还是民用建筑，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]高层建筑混凝土结构技术规程[M]。北京：中国建筑工业出版社，2002．
关键词：高层混凝土 结构设计特点 结构选型布置计算
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
0 前言
高层混凝土结构受力复杂， 然而习惯性的传统设计往往会给结构工程师造成一种错觉， 以为结构设计就是规范+计算机程序计算，忽略了对结构整体方案的把握。一个合格的结构工程师应具有清楚的结构设计概念，丰富的实际经验，正确的判断力，而规范和计算机程序只是实现设计的技术手段。一个结构工程师在每一项设计开始时， 就应凭借自身拥有的对结构体系及其受力、变形特性的整体概念和判断力，用概念设计去帮助建筑师实现业主所需要的建筑空间。在设计过程中，利用自己的力学概念，通过合理、有效地不断调整构件设计，提高结构设计安全度，提高经济效益及设计效率。
1 关于结构选型
1.1 结构的规则性问题。新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作被动。
1.2 结构的超高问题。在抗震规范与高规中，对结构的总高度都有严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为 A 级高度的建筑外，增加了 B 级高度的建筑，因此，必须对结构的该项控制因素严格注意，一旦结构为 B 级高度建筑甚或超过了B 级高度，其设计方法和处理措施将有较大的变化。
1.3 嵌固端的设置问题。由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
1.4短肢剪力墙的设置问题。在新规范中，对墙肢截面高厚比为5-8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
2 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- 剪力墙等结构，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，加强角部应力集中區的连接。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。
3 高层建筑结构设计特点
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，不仅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。
4 地基与基础设计
在这一阶段，所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。由于我国占地面积较广，地质条件相当复杂，《地基基础设计规范》无法对全国各地的地基基础都进行详细的描述和规定，因此，作为建立在国家标准之下的地方标准。地方性的“地基基础设计规范”能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确。
5 结构计算与分析
5.1 结构整体计算的软件选择。由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异，因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。所以，在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件。对计算结果的合理性、可靠性进行判断是十分必要的，是结构工程师最主要的任务之一，这项工作要以结构工程师的力学概念和丰富的工程经验为基础。
5.2 结构整体计算需控制的几个参数。①剪重比：控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。若过小，说明底部剪力过小，这时应注意结构位移和结构稳定是否满足要求。若过大，应检查输入信息是否有误或剪力墙过多结构太刚。②刚度比：控制结构竖向规则性，避免产生刚度突变。③位移比：控制结构平面规则性，以免产生扭转。它反映的是质心与刚心的偏离程度。平面布置宜规则，对称，使质心和刚心尽量重合。④周期比：控制结构扭转效应。结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，A 级高度高层建筑不应大于 0.9，B 级高度高层建筑不应大于 0.85。反映的是抗扭刚度与抗侧刚度之间的关系。⑤层间受剪承载力比：控制竖向不规则。
5.3 是否需要地震力放大，考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数，已列为强制性条文，需特别注意。
5.4 多塔结构和分缝结构的计算分析。一段时间以来，大底盘，多塔楼的高层建筑类型大量涌现，而在计算分析该类型高层建筑时，是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算，是结构工程师必须注意的问题。如果分开计算，下部裙房及基础计算误差较大，且各塔之间相互影响无法考虑。应先进行整体计算，但计算周期比时应将各塔分开。
5.5 非结构构件的计算与设计。在高层建筑中，往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。
对这部分内容，尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时，由于高层建筑的地震作用和风荷载均较大。因此，必须严格按照规范中的非结构构件的计算处理措施进行设计。
6 结语
随着建筑造型和建筑功能要求日趋多样化，不管是高层建筑还是民用建筑，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]高层建筑混凝土结构技术规程[M]。北京：中国建筑工业出版社，2002．