高层建筑结构设计分析以与控制

【摘要】：随着市场经济的不断发展，一栋栋高层建筑拔地而起，如何加强高层建筑结构设计分析以及控制值得我们思考。本文介绍了高层建筑结构设计特点，分析了高层建筑结构设计，总结了高层建筑结构设计控制方法。
关键词：高层建筑结构设计控制特点
高层建筑结构设计是一个复杂的过程，应从结构的概念设计着手，选择结构平、立面布置尽量规则以及抗震和抗风性能好的结构体系，并通过控制这些指标，使高层的结构布置更加合理，达到更好的效果。

一、高层建筑结构设计特点

1、水平荷载成为决定因素。一方面,因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与楼房高度的一次方成正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩,以及由此在竖构件中引起的轴力,是与楼房高度的两次方成正比;另一方面,对某一定高度楼房来说,竖向荷载大体上是定值,而作为水平荷载的风荷载和地震作用,其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。
2、轴向变形不容忽视。高层建筑中,竖向荷载数值很大, 能够在柱中引起较大的轴向变形,从而会对连续梁弯矩产生影响,造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大;还会对预制构件的下料长度产生影响,要求根据轴向变形计算值,对下料长度进行调整;另外对构件剪力和侧移产生影响,与考虑构件竖向变形比较, 会得出偏于不安全的结果。
3、侧移成为控制指标。与较低楼房不同,结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加,水平荷载下结构的侧移变形迅速增大,因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
4、结构延性是重要设计指标。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。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,避免倒塌,特别需要在构造上采取恰当的措施,来保证结构具有足够的延性。

二、高层建筑结构设计分析

高层建筑钢结构设计中，结构工程师应与建筑师紧密配合，要考虑建筑特点、功能、荷载性质、材料供应、制作安装等多种因素，择优选取利于抗震、抗风又经济合理的结构体系和平立面布置。常用的高层建筑钢结构体系有框架体系，双重抗侧体系（钢框架——支撑或剪力墙板体系、钢框架——混凝土剪力墙体系、钢管混凝土框架——剪力墙体系、钢框架——混凝土核心简体系）、简体体系（框简体系、简中简体系、桁架简体系、框筒束体系）和巨型框架体系。无论采用什么结构体系，具体设计中都应使结构具有明确的计算简图、合理的传力途径、多道抗震防线，力求形成立体构件或尽量使结构能趋向于实现总体屈服机制。结构布置和设计中应尽量使结构具有以下几方面的特点，或注意考虑到以下一些原则。
1、使结构构件能形成立体化，在竖向构件布置时，尽量使由墙或密柱与深梁能组成简体或巨型柱，使结构单元形成不同力学特性的立体构件，构成在任何方向都具有较大的刚度与抵抗力矩的能力。

2、使柱或巨型柱周边布置，将柱沿平面周边设置使结构整体具有更大的抗侧和抗扭刚度。

3、使结构支撑化。在框筒结构体系中由于水平力作用下存在固有的剪力滞后效应，当功能需要加大柱间距时剪力滞后效应更易削弱结构的抗侧刚度，影响水平承载力，因此在框筒中增设支撑能强化框筒；当房屋四角有巨柱采用支撑使其形成立体支撑体系更有利于抵抗各向力，发挥其材料潜力。
4、园锥形能减小风载体型系数和增大抗侧抗扭刚度，特别在非地震区南风荷载起控制作用的高层建筑，采用园锥体型能节约材料经济性好。
5、选用高强、轻质材料，有条件时设置安装传感器、质量驱动装置等减振设置使其动力反应智能化。
6、应积极探讨将目前的整体结构分析、单个构件设计向整体结构分析、整体结构构件设计方向发展考虑，使各构件的承载力可靠度尽量一致。
7、用增大结构阻尼方法以减小结构加速度；用合理的几何平、剖面图形合理的墙板及构件连接方法来减小侧向位移，而不要随意采用加大柱截面的方法来提高抗侧抗弯刚度。实践证明外柱布置远离平面重心或芯筒，或使外柱沿建筑物全高向内全高度倾斜等方法均能有效地减小侧向位移值， 用增加主梁的线刚度EI/L 在框架中也能起到减少侧向位移的作用；而采用加大柱截面的方法来提高框架抗侧刚度其效果将很小且不经济。一般框架刚度通常取决于大梁刚度而不是柱的刚度，因为一般跨度和层高的建筑中柱的刚度比梁刚度已大很多。
8、在结构的平面与剖面设计中应尽量避免出现不规则体型。建筑的开间进深应尽量统一，框筒、墙、支撑的布置尽量对称。常用的框筒结构中为充分发挥框筒作用应严格控制房屋的高宽比，且内筒边长不宜小于相应外筒边长的1/3，框简柱跨不宜大于层高，框筒裙梁高度不宜小于800mm，框筒结构为矩形平面时其长宽比不宜大于1.5:1，否则应改用框简束体系。筒的墙面开洞面积宜小于50%墙面积，内外简之问的间距一般可取l0-16m，为了保证角柱具有足够的承载力，角柱宜为中心柱截面积的1.5-2 倍。一般还应该根据具体情况选用支撑，型钢混凝土墙板、竖缝钢筋混凝土墙板或钢板剪力墙等作为主要抗侧构件。注意应使支撑、剪力墙能沿高度竖向一致连续布置。边柱外柱应尽量使其参与结构整体抗弯以增加整个结构的抗侧刚度和承载力，在抗震设计中应注意使结构形式强节点弱杆件、强竖弱平、强压弱拉。柱的超载必须避免，屈服应控制在梁

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和支撑上，要多道传力途径，多道设防，适当增多结构的超静定次数。要避免水平刚度产生偏心和竖向刚度、强度的突变。节点连接应刚强。

三、高层建筑结构设计控制

在高层建筑结构的设计中，如何精确地设计建筑物并控制进行相应的分析，保证建筑结构的整体完善，要利用一些软件进行相应的调整。这是决定建筑设计好坏的关键因素。要对计算机软件进行系统的选择，以消除结构不安全隐患存在。

1、对于地震的因素控制

加强对建筑物结构整体的调整与控制，保证建筑设计规范要求；建筑物的周期性调整以及刚度的计算，保障建筑工程的整体设计因素控制。

2、高层楼层的建筑分析

现在建筑物的外观上取得了一定的突破与控制，加强对建筑物的楼层之间的调整，楼与楼之间地震周期的操控，建筑设计工程师要依据计算的参数进行数据控制，并决定数目的取值范围。

3、非结构构件的计算

在高层建筑结构设计中，往往存在由于建筑工程美观的设计要求以及主体的承重的体系以外的控制。对于这部分，尤其是对高层建筑设计中装饰构件进行相应的分析。找取一定的非结构的设计进行相应的计算措施控制，保证建筑结构设计的整体控制。

四、工程实例

1、工程概况

某工程建设，地下一层，上设两栋独立的塔楼。楼高75m，23 层。抗震设防烈度7 度， 设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35s，水平地震影响系数最大值为0.12，场地类别为二类。抗震设防类别为A 级高度丙类。结构设计使用年限为50 年，结构安全等级为二级，地面粗糙度为C 类，基本风压按100 年一遇取值。由于地上各塔楼独立分开，可以各自独立以地下室为嵌固端计算，不相互影响，故仅以1 号楼作为实例分析。

2、结构体系选择

高度75m<120m，地下室为车库，一层~二层为商场，三层~四层为办公室，四层以上为住宅。综合考虑后采用剪力墙结构体系，剪力墙的布置尽可能遵循均匀、对称、周边、分散的原则，考虑安全的前提下考虑经济合理。

3、规则性分析

主体平面为凹型，突出部分为1/Bm ax=8.70/19.30=0.45>0.35，为平面不规则类型。经试算后，结构在24 层位移比达到1.32<1.5。与建设单位和建筑专业协商，平面较不规则，但仍能满足规范强制性条文要求。

4、结构计算软件

结构整体计算采用中国建筑科学研究院开发的多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE（墙元模型）及PMSA（广义墙元模型）两个相互独立可对比的高层结构分析软件进行。

5、计算整体参数

计算时分别考虑偶然偏心下的单向地震作用与双向地震作用，由于建筑高度75m<100m，不需作弹性动力时程分析。考虑活荷载不利布置影响，周期折减系数为0.75，结构的阻尼比为5%，采用24 个振型数计算。
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