高层建筑结构设计的要点探析

李航

【摘要】高层建筑可以节省土地面积，满足人们的用地需求，所以加强高层建筑的建设，对我国社会的发展具有一定的推动作用。在高层建筑建设过程中，结构设计作为其重要组成部分，对高层建筑的质量具有直接的影响，所以应抓住高层建筑结构的设计要点，提高高层建筑结构设计水平，满足人们的需求，以此促进城市建设的不断发展。基于此，本文主要对高层建筑结构设计的要点进行分析探讨。

【关键词】高层建筑;结构设计;要点探析

对于高层建筑而言结构设计是一个重点，也是难点所在。高层建筑想要确保整个建筑的安全性与经济性，结构设计必须安全而合理，并且让许多技术难点都得以很好的解决。

1、项目概况

平凉街道22街坊商办项目位于上海市杨浦区，总建筑面积约21万㎡，其中地上约13.5万㎡，地下约7.5万㎡。含A楼、B楼、C楼和J楼4幢高层建筑以及D楼、E楼、F楼、G楼、H楼和P楼共6幢多层建筑。其中A楼和B楼地上23层，高度约99米，主要功能为办公楼。C楼地上10层，高度约45米，主要功能为办公楼。J楼地上16层，高度约71米，主要功能为办公楼。A楼、B楼、C楼和J楼为4幢超限高层，按规定需进行结构抗震设防专项论证。

本项目针对抗震超限的结构设计

本工程高层存在的超限和不规则的情况体现在以下方面：

1.1扭转不规则和偏心布置。本工程由于建筑功能和造型的要求，因剪力墙布置并非对称布置等原因，计算结果表明部分楼层在考虑偶然偏心地震作用下的扭转位移比大于1.2（但均小于1.4），属于扭转不规则。由于平面不规则，抗侧力构件不均匀，部分楼层刚心与质心的偏心率大于0.15，属于偏心布置。这两项不规则不重复计算，仅计一条。

1.2楼板不连续。建筑二层楼板大开洞，楼板有效宽度小于50%，开洞面积接近30%，并且存在局部楼板有效宽度小于该层楼板典型宽度的40%的情况，属于楼板不连续。

针对本工程的几点超限项目，结构设计时采取了有针对性的措施。

（1）本工程由于建筑功能和造型的等原因，部分楼层在考虑偶然偏心地震作用下的计算扭转位移比大于1.2。结构设计时通过结构柱墙的合理布置，尤其是加强边框柱和边框梁，使各楼层的最大位移比大部分小于1.2，仅在少数楼层大于1.2，且均小于1.4。

（2）本工程2层大堂楼板开洞较大，导致局部楼板有效宽度小于40%。在结构设计时，对开洞处的楼板进行加强，板厚增加为150mm，同時对其上一层（3层）的楼板也进行了加强，板厚为150mm，且配筋均采用双层双向并适当加大配筋。设防目标为小震下楼板不开裂，中震下大部分楼板不开裂，洞边应力较大的楼板虽开裂但板筋不屈服。个别穿层柱箍筋全长加密，抗震等级提高一级。

此外，结构设计时还采取了以下有利于提高结构抗震性能的措施：

1）采用轻质高效的结构材料，改善结构的抗震性能。主楼底部柱、墙中的混凝土强度等级采用C50～C60，有利于降低轴压比。此外，还在A楼和B楼底部部分楼层的框架柱内设置了型钢，提高了整体结构的抗震性能。钢筋采用HRB400钢（fy=360N/mm2）高强度钢筋，降低结构配筋量。墙体材料采用砂加气混凝土砌块及轻钢龙骨石膏板等轻质墙体。

2）提高抗震等级。本工程2层大堂开洞处的穿层柱抗震等级提高为一级框架。

3）在施工图设计时，混凝土剪力墙将在各楼层标高处设置暗梁，以增加剪力墙的整体性和抗侧刚度。

4）在施工图设计时将按规范采取较为严格的构造措施，包括严格控制柱墙轴压比、保证构件配箍率、保证楼板厚度和配筋率等。

2、C塔楼结构选型

C塔楼采用桩+筏板式基础。考虑到成桩可行性、单桩承载力、沉降变形、工程造价以及方便布桩等因素，经分析比较，采用直径700mm的泥浆护壁钻孔灌注桩，桩长42m，以⑦2层灰黄～灰色粉砂为持力层，同时进行桩端后注浆，以提高单桩承载力并减小绝对沉降量，单桩竖向承压承载力的特征值为4100kN，计算结果显示最大沉降量6.5cm，满足了规范要求。塔楼C基础示意图见图1。

3、结构体系

塔楼C的结构高度96.5m，共22层（不含屋面机房层），结构高度96.5m，采用钢筋混凝土框架-核心筒结构。核心筒位于塔楼平面的中部，墙体布置基本对称;在17层楼面以上，核心筒南侧因电梯井道取消而内收约3m，除两处小片剪力墙不能伸至屋面，其余核心筒墙体和框架柱均上下连续。结构系统的侧向设计主要受控于地震效应的作用，核心筒作为结构的第1道防线承担了大部分的水平地震作用和风荷载，外围框架组成结构的第2道防线，并按相应比例承担其余的水平地震作用和风荷载。

4、高层建筑结构设计的要点

高层建筑结构设计的主要目标在于安全目的、适用目的、耐久能力、经济水平和施工可行性等方面适合高层建筑规划的要求和人们对高层建筑的需要。因此，在高层建筑结构设计过程中要根据相关的标准和规定，对高层建筑结构的布局、经济性、构造特点等关键环节进行控制，探寻出进行高层建筑结构设计的相关要点，当前应该做好的高层建筑结构设计要点有如下几点：

4.1合理选择结构体系

一般而言，纯框架结构体系抗震性能稍差，框架-剪力墙结构体系抗震较好。而剪力墙结构体系与筒体结构具有良好整体性。抗震规范对于各种结构体系的适用高度均有详细规定。

4.2多道抗震防线的设置

在设计与构造上设置多道抗震防线。如框架结构首先是框架梁屈服，最后底层框架柱的下端屈服破坏。而框架-剪力墙结构中第一道防线是连梁，在地震作用下产生塑性铰，而后是剪力墙与框架，充分利用连梁的屈服耗能防止剪力墙底部发生屈服破坏。

在设计过程中，控制结构的屈服部位出现在最为理想的耗能部位，做到强柱弱梁，强节点弱构件。充分发挥出结构的抗震性能。

4.3结构的承载力及刚度应均匀连续分布

结构的承载力及刚度应均匀连续分布，避免形成薄弱层及软弱层。通常而言底层出现相对薄弱会比上部更加不利。目前大部分高层建筑底层通常是大堂空间，因为建筑及使用功能要求：层高高，大挑空导致的部分结构楼板缺失等因素都会导致底层结构相对薄弱，在设计过程中，应特别注意。

在高层建筑的顶部通常会设置突出的塔楼。由于高振型的作用及鞭梢效应，对塔楼的承载能力与延性有更高要求。可以考虑采用型钢-混凝土结构或者钢结构。

4.4合理的设缝

对于平面及外形较为复杂的建筑，各结构单元之間可设缝彻底分开，也可以不设缝而加强连接。但对于高层建筑，应尽可能的不设置抗震缝。不设缝要考虑刚度突变、不均匀沉降带来的影响。必须设缝时，缝的宽度除考虑结构在地震，风荷载作用下的侧向位移外，还应考虑由于基础转动带来的位移增大的影响。

4.5必要的结构刚度

地震作用下的结构变形包括层间位移及顶点位移两部分。层间位移主要影响结构的开裂，塑性铰的发展以及非结构构件的破坏。顶点位移主要影响结构整体稳定性，抗震缝的宽度等。因为对于高层建筑而言，基础的转动会对顶点位移有较大影响，因此基础结构必须有较大的整体刚度和抗转动能力。

4.6结构构件防止过早出现脆性破坏

在设计过程中应采取切实有效的措施防止构件过早出现剪切、锚固和受压等脆性破坏。通常而言，应做到“强剪弱弯”。

构件的压应力或剪应力过高都会降低延性，导致发生脆性破坏，因此要限制构件的压应力及剪应力在较低的水平范围内。约束混凝土可以使其开裂之后仍能保持一定的受压受剪能力，因此在构件可能出现塑性铰的区域内设置足够的约束箍筋可以起到很好的作用。同时，对该区域的钢筋锚固也应提高要求。

结语：

本文结合某高层商办建筑结构设计实例，从该高层的主体结构抗震超限设计、地基基础设计等方面进行论述，对重要构件的细部构造采取加强措施，同时通过提高底部加强区墙体的分布筋配率和约束边缘构件的体积配箍率来满足延性要求。同时结合该项目实例，总结了部分高层建筑结构设计的要点，为今后同类高层结构设计提供参考借鉴。

参考文献：

[1]王慧君，徐勇.高层建筑结构设计的要点探析[J].科技与企业，2014（06）：171.

[2]曹彬，李铭.高层建筑结构设计中剪力墙结构的要点分析[J].中国建筑金属结构，2013（22）：65.