高层建筑结构选型的设计原则特点

摘 要：随着城市化进程的不断加快,城市建设用地越来越紧张,为提高用地效率,城市住宅建筑大多朝向高层和超高层发展,这也为建筑的结构设计提出了更高的要求.因而我们广大建筑设计人员应熟悉相关建筑结构设计规范、标准条文,熟练掌握高层建筑结构设计的相关要点,合理选择建筑结构体系,做好结构设计的计算和优化,提高建筑的结构安全性,降低建设成本,为社会创造出更安全适用、技术先进、经济合理、方便施工的高质量建筑.文章重点对高层建筑结构选型设计原则、特点进行了简要的分析.

关 键 词：高层建筑、结构设计、选型原则、特点

一、高层建筑结构型式

高层建筑结构的结构型式繁多,框架、剪力墙、框架-剪力墙结构体系是高层钢筋混凝土建筑结构中较为传统的、广为应用的结构体系.随着层数和建筑高度增加,利用结构空间作用,又发展了框架-核心筒结构、筒中筒结构、多筒结构和巨型结构等多种结构体系.

二、高层建筑结构选型设计原则

2.1功能适应性原则

不同功能的建筑,往往要求具有不同的功能空间特征；不同的结构体系型式,并能够提供不同的空间布置；不同的内部空间特征又要求不同的结构与其相适应.

2.2刚度合理性原则

不同的结构体系往往具有不同的刚度和承载力,也有使其整体综合性能得到较好发挥的高度适应范围.一般来说,框架结构适用于设防烈度低的层数较少的高层建筑；框架-剪力墙结构和剪力墙结构适用于各种高度的建筑；在高度较大或设防烈度高时,可采用筒体结构等.

2.3空间整体性原则

建筑结构系统是一个由多个子结构及其若干组成构件组成的空间结构体系.一个结构的抗震能力不仅取决于各子结构及相应构件的强度、刚度、延性及其受力状态,而更主要地取决于保证这些子结构、构件协同工作的能力或空间整体性.

2.4施工方便性原则

不同的结构型式决定着结构的施工工艺、施工难度、施工工期及可能的施工质量.

三、高层建筑结构设计的几个特点

水平荷载起控制作用,侧向位移必须加以限制,轴向变形在侧移中占有很大的份额,所以在结构体系选型时应充分考虑这几个特点.对于低层、多层或高层建筑,其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的.但随着高度的增加,由于以下两个原因,竖向结构体系成为设计的控制因素：一个是较大的竖向竣工体系要求有较大的柱、墙和井筒；另一个更重要的原因是,侧向力所产生的倾覆力矩和侧向变形要大得多,高层建筑结构设计人员必须以精心设计来保证.

四、高层建筑结构的关键设计

4.1框架结构

（1）基础系梁的设置问题.在设计工作中,存在下述情况之一时,宜沿两个主轴方向设置基础系梁：1）一级框架和Ⅳ类场地的二级框架.2）各柱在重力荷载代表值作用下的压应力差别较大.3）基础埋置较深,或各基础埋置深度差别较大.4）地基主要受力层范围内存在软弱黏性土、液化土层或严重不均匀土层时（详建筑抗震设计规范（GB50011-2010）第6.1.11条）.如果基础埋置深度较深时,可以用基础系梁减少底层柱的计算长度,在±0.000以下设置系梁,此时系梁宜按一层框架梁进行设计,同时系梁以下的柱应按短柱处理.

（2）框架结构薄弱层的判定与处理.薄弱层是对抗震极为不利的结构层,原则上应避免出现薄弱层.避免出现薄弱层的最基本方法是加大该层的抗侧移刚度,即加大该层的柱截面或梁截面；如果条件允许,可以改变该层层高.当无法避免出现薄弱层时,在结构计算和出图时必须按照规范规定采取相应的措施.

4.2剪力墙结构

剪力墙是一种有效的抗侧力构件,剪力墙结构体系、框架剪力墙结构体系、筒体结构体系中,剪力墙都是作为主要的承重结构单元,因此,剪力墙的截面设计是高层混凝土结构设计的重要部分.在地震区剪力墙除保证有足够的承载力外,还要保证有足够的延性,以提高整个结构的耗能能力,改善结构的抗震性能.在剪力墙墙肢截面设计时,当纵横向剪力墙连成整体共向工作时,可将纵墙的一部分作为横墙的翼缘加以考虑.同时也可将横墙的一部分作为纵墙的翼缘予以考虑.在框架剪力墙结构中,剪力墙常常和梁柱连一体,形成带边框剪力墙.因此,剪力墙墙肢常常按矩形截面、T形截面或工字形截面进行设计.

4.3框架剪力墙结构

当框架体系的强度和刚度不能满足要求时,往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架,便形成了框架剪力墙体系.框架剪力墙结构体系是把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系.这种结构既具有框架结构布置灵活、使用方便的特点,又有较大的刚度和较强的抗震能力.在承受水平力时,框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系.在体系中框架主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平剪力.框架剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型.剪力墙的设置,增大了结构的侧向刚度,使建筑物的水平位移减小,同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀,所以框架剪力墙体系的最大适用高度要大于框架体系.

4.4筒体结构

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系,包括单筒体、框架-核心筒、筒中筒、成束筒等多种形式.筒体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类型.筒体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震能力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑.以框架-核心筒结构为例.核心筒应具有良好的整体性,墙肢宜均匀、对称布置,筒体角部附近不宜开洞,当不可避免时,筒角内壁至洞口应保持一段距离,以便设置边缘构件,其值不应小于500mm和开洞墙的厚度；核心筒外墙的截面厚度不应小于层高的1/20及200mm,对一、二级抗震设计的底部加强部位不应小于层高的1/16及200mm.剪力墙的截面厚度应满足墙体稳定验算要求,必要时增设扶壁墙；在满足承载力要求,以及轴压比限值时,核心筒内墙可适当减薄,但不应小于160mm.

4.5强调“三强三弱”

为体现抗震概念设计思想,按照建筑抗震设计规范（GB50011-2010）要求应实现“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”,使其具有较好的变形能力.规范虽然列出了许多具体核算公式,但由于种种原因目前还存在将梁超计算配筋或加大截面而柱筋及截面不变的情况,这就很难保证“强柱弱梁”实现,而且实际结构中转换层、刚性层大梁以及楼板的存在,要真正实现“强柱弱梁”的概念很困难；设计中局部尺寸或荷载有改变时,有的设计人员习惯于增加纵筋而不改善箍筋,则很难保证“强剪弱弯”；设计人员往往对构件进行大量计算,增强构件,而对节点不过细考虑.施工时节点区缺少箍筋甚至无箍筋的情况非常普遍.因此,要使“三强三弱”概念得以实现,首先应对规范目前核算公式改进使其实用,如采用“实配反算法”来保证,否则公式概念虽然正确但因不易操作不实用,而成为虚设；其次,设计人员应认识到“三强三弱”概念在抗震设计中的重要性,精心设计使所设计的结构具有良好的抗震能力.

五、结束语

随着我国城市建设用地日趋紧张,城市建筑向中高层方向发展,与之相适应的结构形式也取得了许多新的成果.在高层建筑的开发建设中,结构设计是相当重要的一个环节,它与规划、建筑、设备和施工等专业紧密相联.同时时代的发展,建筑风格的变化多样,又给高层住宅结构设计提出了新的课题和新的挑战,高层建筑结构设计也越来越成为结构设计工作的重点和难点.