高层钢筋混凝土建筑结构设计浅析

高层钢筋混凝土建筑结构设计浅析

摘要：目前城市建设中高层建筑越来越多,建筑造型越来越复杂,如何应用现行规范设计出既满足结构安全性又能满足合理的技术经济指标是每个结构工程师所面临的问题,从概念设计、结构选型、地基基础设计、结构计算和分析等方面论述了自己的观点。

关键词：高层结构；设计；选型

高层钢筋混凝土建筑主要承受有竖向荷载(包括恒荷载、活荷载)及水平荷载(主要包括风荷载、地震作用等)作用。结构设计要保证建筑既安全可靠又技术合理。必须依照国家相关设计规范具体和规定，并运用结构概念设计的理念,研究分析建筑的结构受力特点。对结构强度、刚度以及延性从整体角度考虑进行合理布置。以避免因结构布置方案欠周、先天不足。造成设计缺憾。如结构抗震性能较差或结构用材多,造价高等。在结构计算和施工图设计中，运用结构概念，按照规范规定，从整体结构到具体结构构件计算的各项指标数据加以分析。判定、调整、修改并以确认。使结构设计符合规范更加合理。下面简述设计中的几个主要问题。

1.概念设计

强调结构概念设计的重要性，是要求建筑师和结构师在建筑设计中应特别重视规范、规程中有关结构概念设计的各条规定，设计中不能陷入只凭计算的误区。若结构严重不规则、整体性别差，则仅按目前的结构设计水平，难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。概念设计要注重以下基本原则：

1.1结构的简单性

结构简单并不是指建筑物的功能简单，结构的简单是指结构在竖向荷载和水平荷载的作用下传力途径直接清晰明确，结构的计算模型、内力和位移分析以及薄弱部位出现都易于把握，对结构抗震性能的估计也比较准确。

1.2结构的规则和均匀性

结构的规则和均匀性是指建筑里面和平面造型规则，结构体系选择合理，梁板柱布置规则均匀，避免承载力和传力途径发生突变，结构不出现或仅在竖向某一层楼层或极少数几个楼层出现敏感的薄弱部位；建筑平面比较规则，平面内结构布置比较均匀，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递，并使质量分布与结构刚度分部协调，质量与刚度之间的偏心。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“建筑不应该采用严重不规则的设计方案”。因此，结构工程师在进行结构初步设计时就必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被

动。

3）结构的刚度和抗震能力。水平地震作用是双向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用，应使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力；结构刚度选择时，虽可考虑场地特征，选择结构刚度以减少地震作用效应，但是也要注意控制结构变形的增大，过大的变形将会因P— 效应过大而导致结构破坏；结构除需要满足水平方向刚度和抗震能力外，还应具有足够的抵抗扭转震动的能力。

2.结构选型

对于高层结构而言，在工程设计的结构选型阶段，结构工程师应该注意以下几点：

2．1结构体系的选择。

根据抗侧力构件的不同，结构体系主要有框架、框架一剪力墙、剪力墙、框架一核心筒等。选择什么样的结构体系，应根据工程实际情况(层数、高度、跨度、使用功能、荷载等)而确定。

2．1．1框架适用于层数不多的住宅、办公楼及厂房等，对位移要求不是很严格的建筑物。

2．1.2框架一剪力墙、剪力墙(包括短肢剪力墙、框支剪力墙)、框架一核心筒结构适用于高层，这里需要注意的是框架一剪力墙结构中，在基本振型地震作用下，如果框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总底部地震倾覆力矩的50％，则框架部分的抗震等级应按框架确定。框架承担的地震剪力应大于结构底部总剪力的20％。以确保第二道防线的安全。墙不宜过多．满足位移限值即可，太刚了地震力相应增大且提高造价。短肢剪力墙结构应避免全部为短肢墙，简体或一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50％。短肢剪力墙的抗震等级应提高一级采用，有的设计者没有注意这个问题。导致抗震等级的错误确定，造成设计工作的大量修改。无论采用何种结构体系，都应使结构具有合理的刚度和承载能力。避免产生软弱层或薄弱层，保证结构的稳定和抗倾覆能力，使结构具有多道防线，提高结构和构件的延性，增强其抗震能力。

2．2嵌固端的设置问题。

由于高层建筑一般都带有一层或二层及二层以上的地下室，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、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埋下安全隐患。

3.地基与基础设计

地基与基础设计一直是结构工程师比较重视的方面，不仅仅由于该阶段设计过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行，同时，还因为地基基础也是整个工程造价的决定性因素，因此，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。在地基与基础设计中要注意地方性规范的重要性。由于我国占地面积较广，地质条件相当复杂，作为国家标准，仅仅一本《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一地方性的“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。所以，在进行地基基础设计时，一定要对地方规范进行深入地学习。

4.结构计算与分析

在结构计算与分析阶段，如何准确，高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理，是决定工程设计质量好坏的关键。

4．1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。

4．2结构整体计算需控制的几个参数。

高层设计的难点在于竖向承重构件(柱，剪力墙等)的合理布置，而布置的是否合理，可通过以下几个参数进行控制。

4．2．1轴压比：控制结构延性。

4．2．2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。无论大小，都要找出原因，将其控制在适宜的范围内，其计算的位移、内力才有意义。对于6度抗震设计的结构，规范没有规定其最小值，设计中一般可考虑控制在0．08—0．01。

4．2．3刚度比：控制结构竖向规则性。避免产生刚度突变。

4．2．4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。

4．2．5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。如计算出的第一振型为扭转振型，表明结构的抗侧力构件布置的不尽合理，抗扭刚度不足，解决的办法就是加大抗扭刚度，或减少对抗扭贡献不大的其他构件的刚度。必要时设置防震缝，将结构划分为较规则的若干个单元。

4．2．6层间受剪承载力比：控制竖向不规则。

4．3是否需要地震力放大，考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。

新高规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。

4．4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。值得一提的是，与多塔不同的是分缝结构，对于分缝结构，最好将各单元分开计算，如一定要合在一起，也可按多塔模型计算，计算周期比时也应同多塔一样分开计算，但与多塔不一样的是，对于整体的配筋计算，多塔应以不切开的模型为准，而分缝结构则无此。此外还应注意的是如分缝结构按多塔处理，则由于其分缝处不是真正的迎风面，其风荷与实际受力状态不符，应注意修正风荷载数值。

4．5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。

5.结束语

建筑结构设计质量,密切关系到人民生命财产的安全,责任重大。而且结构专业是一个既有深度又有广度的专业,我们必须在工作中,不断地学习、总结,才能有所进步,才能成为一名合格的工程师。这也是我把我在设计过程中的一些认识写出来的原因,希望与同行们一起讨论、共同提高。