浅谈高层建筑的结构设计的几个控制指标与几个值得重视的问题范文合集.docx

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浅谈高层建筑的结构设计的几个控制指标与几个值得重视的问题范文合集

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随着我国经济建设的快速发展，高层建筑已经逐步发展成为城市建筑的主要形式。

高层建筑由于高度较大，与多层结构相比有明显不同的受力和变形性能，水平荷载和地震作用是主要的控制因素。

判断结构布置合理性和结构体系的经济性能是高层建筑结构设计的关键，规范用于控制高层建筑整体性的设计指标主要有：

周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、剪重比、刚重比以及轴压比等。

以下就上述控制指标作简明阐述。

1周期比

周期比是控制结构扭转效应的重要指标，是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的比值。

周期比控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应，而不是在要求结构具有足够大的刚度。

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002[1]（以下简称《高规》）第4.3.5条规定：

结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。

调整结构周期比的措施主要有两种：

1）提高结构的抗扭刚度。

这样可以改善结构的抗扭性能，是解决结构抗扭薄弱的根本方法。

提高抗扭刚度一般需要调整结构布置，增加结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度；有时要改变结构类型，如增加剪力墙、异形柱等等。

这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。

调整原则是要加强结构外圈刚度（例如在建筑周边加剪力墙或者柱间支撑），或者削弱内筒降低结构中间的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。

2）降低平动刚度，使平移周期加长。

此法仅适用于原来结构刚度较大，层间位移远小于规范限值的情况。

2位移比

位移比是控制结构平面规则性的重要指标，是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值。

结构是否规则、对称，平面内刚度分布是否均匀是结构本身的性能，可以用结构刚心与质心的相对位置表示，二者相距较远的结构在地震作用下扭转可能较大。

由于刚心与质心位置都无法直接定量计算，规范采用了校核结构位移比的要求。

在楼板平面内无限刚性的假定下，增加了附加偏心距5%L计算校核位移比。

《高规》第4.3.5条规定，在考虑质量偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。

位移比是一个相对值，在相同的位移比下，当结构刚度较小、平均侧向位移较大时，扭矩产生的最大位移也大，对结构的危害也较大；相反，如果是同样的位移比，当结构侧向位移较小时，最大位移也相对较小；此时可以将位移比与位移最大值进行综合考虑，适当放宽位移比的限制值。

例如最大层间位移小于规范规定值的50%时，位移比限值可以放松10%，当最大层间位移更小时，放松的幅度还可加大，但不宜超过20%[2]。

调整位移比的措施主要有三种：

1）提高结构的抗扭刚度。

主要通过调整结构布置来实现，与周期比的控制措施相同。

2）提高结构的抗扭承载力。

当结构布置的调整较困难时，可以在设计中考虑“双向地震组合”以提高结构的承载能力，或增大计算扭矩，将附加扭矩加大，增大构件设计内力，提高结构的抗扭承载力[2]。

同时也应增加抗震构造措施和延性措施，提高结构变形的延性，加强局部薄弱部位。

3）设置防震缝。

当结构平面复杂、不对称或各部分刚度、高度和重量相差悬殊时，调整抗扭刚度难以满足规范要求，可以设置防震缝，把整个结构分成几个相互独立的规则结构。

3刚度比

层刚度比是控制结构竖向规则的重要指标，体现了结构整体的竖向匀称度。

楼层侧向刚度可取该楼层剪力和该楼层层间位移的比值。

在判断楼层是否为薄弱层、地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求时，都是用层刚度比作为依据。

规范提供了三种层刚度的计算方法：

楼层剪切刚度、剪弯刚度和楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度。

《高规》第4.4.2条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。

楼层层刚度比的变化主要由于竖向构件不连续、楼板大开洞、层高有较大变化等造成的。

由于层刚度产生的薄弱层，可以通过调整结构布置和材料强度等级以避免薄弱层的出现。

对于不能避免出现的结构薄弱层，规范要求其地震剪力乘以1.15的增大系数，

同时应加强抗震延性构造措施，提高结构的抗震等级、楼板加强、弱连接结构的加强等，从而加强薄弱部位。

4层间受剪承载力之比

层间受剪承载力之比也是用来控制结构竖向不规则的重要指标。

层间受剪承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上，该层全部柱及剪力墙的受剪承载力之和。

《高规》第4.4.3条规定，A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。

楼层抗剪承载力的简化计算，只与竖向构件尺寸、配筋有关，与它们的连接关系无关。

由于

楼层承载力产生的薄弱层，只能通过调整配筋提高结构的承载能力来解决，如提高“超配系数”等。

5剪重比

剪重比是反映地震作用大小的重要指标，是对应于水平地震作用标准值的剪力与重力荷载代表值的比值。

由于在长周期作用下，地震影响系数下降较快，计算出来的水平地震作用下的结构效应可能偏小。

而对于长周期结构，地震地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大的破坏作用，但采用振型分解法时无法对此做出较准确的计算。

因此出于安全的考虑，，规范规定了最小剪重比。

《高规》第3.3.13条规定各楼层的剪重比不应小于表1的规定值，具体说明参见该条款的规定。

表1楼层最小地震剪力系数值

类别

7度

8度

9度

扭转效应明显或基本周期小于3.5s的结构

0.016（0.024）

0.032（0.048）

0.064

基本周期小于5.0s的结构

0.012（0.018）

0.024（0.032）

0.040

考察结构的剪重比时，应先确定结构的“有效质量系数”，当“有效质量系数”大于90%时，可以认为地震作用满足规范要求，然后再考察结构的剪重比是否合适。

剪重比不满足要求时采取的措施有两种：

1）根据规程最小水平地震剪力调整各层水平地震作用，这种方法适用于结构整体刚度满足规范要求的情况。

2）调整结构布置、增加结构的刚度，使计算的剪重比能自然满足规范要求，这种方法适用于结构存在结构薄弱部位的情况。

6刚重比

刚重比是控制结构整体稳定的重要因素，也是影响重力二阶效应（即P-Δ效应）的主要参数，是结构刚度与重力荷载之比。

重力二阶效应包含两部分，

（1）由构件挠曲引起的附加重力效应；

（2）由水平荷载产生侧移，重力荷载由于侧移引起的附加效应。

一般只考虑第后一种，前一种对结构影响很小。

当结构侧移越来越大时，重力产生的附加效应也将越来越大，从而降低构件承载力直至最终失稳。

《高规》第5.4.2条规定，高层建筑结构如果不满足第5.4.1条（即结构刚重比）的规定，应考虑重力二阶效应对水平力（地震、风）作用下结构内力和位移的不利影响。

《高规》5.4.4条给出了高层建筑结构刚重比的要求。

对于剪力墙、框架—剪力墙结构和筒体结构不应小于1.4；对于框架结构不应小于10。

设计高层建筑结构考虑抗风和抗震要求的出发点是相互矛盾的。

刚度大的结构对抗风荷载有利，其动力效应和振幅小。

相反，较柔的结构抗震性能好，一是地震作用小，二是可以避免与地震产生共振，这样就不会产生过大的地震反应。

所以一个结构的刚度并不是越大越好的，另外由于罕遇地震的强度无法预估，一味地盲目加大结构整体刚度是不可取的，这样不仅会造成很大的浪费，而且还会给结构带来很大危害[3]。

对于高层建筑，应采用一个刚柔相济、具有理想刚度的结构方案。

对结构整体稳定验算符合《高规》第5.4.4条规定，但通过考虑P-Δ效应后不满足整体稳定的结构，必须调整结构布置，提高结构的整体刚度；对整体稳定计算直接不满足《高规》第5.4.4条规定的结构，必须调整结构方案，减小结构的高宽比。

7轴压比

轴压比是控制框架柱截面延性性能的主要指标，是指柱考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。

控制轴压比限值的目的是要求框架柱截面达到具有较好延性性能的大偏压延性破坏状态，以防止小偏心受压状态的脆性破坏。

从而保证框架结构在罕遇地震作用下，即使超出弹性极限仍具有足够大的弹塑性极限变形能力,实现“大震不倒”的设计目的。

《高规》第6.4.2条和7.2.14条分别给出了混凝土框架柱和剪力墙的轴压比限值。

如表2和3所示。

表2柱轴压比限值

结构类型

抗震等级

一级

二级

三级

框架结构

0.70

0.80

0.90

板柱—剪力墙、框架—剪力墙、框架—核心筒、筒中筒

0.75

0.85

0.95

部分框支剪力墙

0.60

0.70

—

表3剪力墙轴压比限值

一级（9度）

一级（7、8度）

二级

0.40

0.50

0.60

控制轴压比限值的调整措施有以下几方面：

1）提高箍筋的横向约束能力；包括体积配箍率和箍筋的强度与构造形式等。

2）提高混凝土的强度等级；这样可以提高核心区混凝土抗压碎的能力或核心区混凝土的极限压应变能力。

3）提高纵向钢筋的配筋率与强度；这样可以提高柱周边纵向钢筋承担截面轴压的能力，相应减小了核心区混凝土的压应力，提高框架柱的变形能力。

4）减小上部结构的重量；采用轻质高强的新材料，如采用钢结构建筑体系等。

浅谈高层建筑结构设计中几个值得重视的问题

我国高层建筑大量涌现，由于高层建筑平面布置和立体面的复杂，给高层建筑结构设计带来了挑战。

本文结合实践经验，对高层建筑设计中几个值得重视的问题进行了研究。

一、宏观上控制结构的强度和延性

结构在受力进塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，为避免倒塌，尤其是结构抗震设计中，一方面要保证结构具有足够的强度。

另一方面，要保证结构具有一定的延性，强度要从电算的位移刚度等进行控制，而延性则主要从以下几个方面控制，以防结构的脆性破坏。

1.1构件截面抗震承载力调整

水平地震作用与重力荷载效应组合对应的结构构件截面抗震承载力须根据受力状态进行调整放大提高，以达到结构的柔性破坏。

1.2竖向构件轴压比控制

高层建筑竖向构件在重力荷载、水平荷载共同作用下的轴压比控制是保证高层建筑结构延性和安全度的重要措施之一，其表达式如下：

轴压比=总组合轴压力设计值/（混凝土抗压设计值x构件截面积）。

轴压比的高低直接体现构件延性的优劣，轴压比较低的构件延性较好，反之延性较差。

因此。

地震作用效应组合下的竖向构件轴压比必须满足规范限值。

1.3结构构件剪压比控制

其表达式为：

板剪压比=组合设计剪力/（混凝土抗压设计强度x构件腹净面积）。

高层建筑各类结构构件在重力荷载、水平荷载共同作用下的剪压比控制是保证高层建筑结构延性、安全度的又一重要措施。

1.4结构构件合适含钢率选择

高层建筑结构构件截面尺寸及其混凝土强度等级合适确定后，构件配置的各种受力钢筋和非受力构造钢筋具有合适的含钢率，是控制高层建筑结构强度、刚度及裂缝，使之能正常工作的另一个极其重要的设计原则和手段，合适含钢率的配置是现浇钢筋混凝土高层建筑结构本身应有的特性的体现。

二、高层建筑结构设计中的扭转问题

建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心，在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点，即三心合一。

结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。

为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏，应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做到三心合一。

在某些情况下，由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不可能全部采用简单平面形式，当需要采用不规则l形、t形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内，同时，在结构平面布置时，应尽可能使结构处于对称状态。

建筑结构的振动周期问题包含两方面：

①合理控制结构的自振周期;②控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。

2.1结构自振周期

高层建筑的自振周期（t1）宜在下列范围内：

框架结构：

t1=（0.1~0.15）n

框-剪、框筒结构：

t1=（0.08~0.12）n

剪力墙、筒中筒结构：

t1=（0.04~0.10）n

n为结构层数。

结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内：

第二周期：

t2=（1/3~1/5）t1;第三周期：

t3=（1/5~1/7）t1。

如果周期偏离上述数值太远，应当考虑本工程刚度是否合适，必要时调整结构截面尺寸。

如果结构截面尺寸和布置正常，无特殊情况而计算周期相差太远，应检查输入数据有无错误。

从实例的计算结果看，其自振周期计算值接近估算值的下限，可考虑调整结构刚度，适当增大结构的自振周期。

2.2共振问题

当建筑场地发生地震时，如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近，建筑物和场地就会发生共振。

因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期，通过调整结构的层数，选择合适的结构类别和结构体系，扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别，避免共振的发生。

2.3水平位移特征

水平位移满足高层规程的要求，并不能说明该结构是合理的设计。

同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素。

因为结构抗震设计时，地震力的大小与结构刚度直接相关，当结构刚度小，结构并不合理时，由于地震力小则结构位移也小，位移在规范允许范围内，此时并不能认为该结构合理。

因为结构周期长、地震力小并不安全;其次，位移曲线应连续变化，除沿竖向发生刚度突变外，不应有明显的拐点或折点。

一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型;框架结构的位移曲线应为剪切型;框-剪结构和框-筒结构的位移曲线应为弯剪型。

三、结构刚度

高层建筑的抗侧刚度对结构的抗震性能有很大的影响，应设计得刚些还是柔些，不同的设计人员有不同的看法，因此各结构物的经济指标相差较大。

如深圳等沿海地区的高层建筑大多数都设计得比较刚，特别是高层住宅，主要表现在剪力墙较多，而且墙普遍较厚，有些建筑只有十几层，墙厚达500-600mm左右，比较浪费，计算的最大相对侧移值只有1/3000-1/5000，甚至更小。

在土质较好，基岩埋深也普遍较浅的地区，高层建筑大多采用桩基，持力层多落在中、微风化岩，地基的特征周期值较小，所以高层建筑的抗侧刚度一般可以设计得柔些，以结构的极限变形能力作为控制值。

在满足变形限值的前提下，结构刚度尽可能设计得小些，这样，既降低了地震作用，也使场地土与建筑物发生共振的可能性减小，而且又达到了经济目的。

四、高宽比限值

《高规》中对高层建筑的结构高宽比h/b进行限值的目的是为了保证结构整体的稳定性和不倾覆。

一般而言，随着建筑物高度的增加，倾覆力矩也将迅速增大，高宽比大的结构其安全性和经济性较差，所以高宽比限值原则上是需要的。

但目前高宽比限值中考虑的因素过于简单。

首先，结构的抗倾覆性与基础埋深、基础宽度及基础形式等有很大的关系。

基础埋得越深、基础宽度越大、结构抗倾覆能力就越好，高宽比就可以越大一些;有桩基础的结构上抗倾覆能力比天然地基的抗倾覆能力好，所以高宽比也可以大些。

其次，上部结构的刚度分布不同，结构的整体性也不同，若上部结构通过合理的结构设计能保证结构具有足够的刚度，以使结构在地震作用下和风振下都不会有过大的动力反应，高宽比也可以大些。

五、关于抗震构造措施

新的《高规》较“89规范”增加了有关短肢剪力墙的规定，但有些条文在设计应用时，尚不尽完善，且规程对短肢剪力墙的纵向钢筋配筋率要求偏高。

短肢剪力墙原来系用于高层点式筒体的结构，近年来大量应用于10~16层的小高层商住楼，对这种高度一般不超过50m的建筑，是否应当采取如此严格的构造措施，是值得商榷的。

例如，《高规》第7.1.2条第2款规定“筒体和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%”，相比于框剪结构中的框架而言，短肢墙的抗侧刚度要大的多，这样势必增加长墙的数量，进而增大地震作用。

关于短肢剪力墙抗震等级的规定不尽合理，《高规》第7.1.2条第3款规定“短肢剪力墙的抗震等级应比本规程表4.8.2规定的抗震等级提高一级采用”，在短肢剪力墙结构中，既然规定了一般墙或筒体承受的倾覆力矩大于50%，则筒体或一般墙为主要抗侧力构件，应提高筒体或一般墙的抗震等级才合理，就如框-剪结构中的剪力墙抗震等级高于或等于框架抗震等级。

《高规》第7.1.8条规定，当连梁跨高比不小于5时，宜按框架梁进行设计。

连梁主要承受水平荷载带来的剪力和弯矩，容易出现剪切裂缝，其抗剪计算式与框架梁不一样（见《高规》第7.2.24条），箍筋间距要求要严。

连梁抗震设计时，对配筋率没有特殊要求，其最小配筋率同非抗震设计，最大配筋率则通过截面条件来控制。

而框架梁则要满足截面条件及配筋等多项构造要求。

在设计此类连梁时应注意，在计算时要设为非连梁，否则程序对其刚度不乘考虑楼板作用的增大系数，还要按连梁折减。

对跨高比小于5，但对在较大集中荷载作用下（集中荷载对支座截面或节点边缘所产生的剪力值占总剪力值的75%以上的情况）的连梁，也应按框架梁进行抗剪承载力计算。