1、高层结构的选型及结构设计问题研究摘要：在高层建筑的结构工程设计中， 设计人员往往忙于应付大量的具体工作，不够重视结构经济性问题，导致同一工程不同人员设计，造成造价差别别极大，浪费现象严重，如今我国的房地产业正在经历蓬勃发展，房价高起的关键时刻，这对高层住宅的结构优化设计进行探讨，降低高层建筑的造价成本，有着非常重要的现实意义。 关键词：高层结构；结构设计 中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号： 1、引言 现代高层建筑的出现是在 19 世纪，1884-1885 年美国芝加哥建成了11 层的家庭保险大楼，是用铸铁和钢建造的框架结构，开创了现代高层建筑结构的技术途径。我国的现代高层建筑起步
2、较晚，改革开放之后随着综合国力提高，高层建筑才开始大批建造。如 1977 年建成的 112.5m高的广州白云饭店，第一次突破了 10Om 高度;北京饭店东楼(18 层，87米)是当时北京 8 度抗震设防的最高建筑;1997 年完工的上海金茂大厦的结构高度为 395 米，建筑高度为 421 米;2008 年竣工的上海环球金融中心高 460 米，为世界第一高楼，目前上海建设中心正在建设之中，建成之后高 580 米，将刷新上海的第一高楼的高度。诸如此类高层建筑，结构的选型分析很重要，选型的方式决定结构的分析方式，下面本文就以结构的选型分析开始下面内容。 2、高层建筑结构分析的基本假定 要对高层建筑结
3、构完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。为了简化计算模型，各种实用的分析方法都做了一些基本假定。 (l)弹性假定。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。目前，工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。 (2)小变形假定。小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。一般认为，当顶点水平位移与建筑物高度的比值小于 1/500 时，小变形假定基本适用。 (3)刚性楼板假定。许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法，并为采用空间薄壁杆
4、件理论计算筒体结构提供了条件。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是可行的。 3、高层建筑结构分析的基本原则 3.1 整体参数的设定 开始结构计算时，首先需要根据规范的具体规定和软件手册对参数意义的描述，以及工程的实际情况，对正确设置软件的初始参数。其中有几个关系到整体计算结果的参数，必须事先确定其合理取值，才能保证后续计算结果的正确性。这些参数包括振型的组合数、最大地震力的作用方向和结构的基本周期等。 (l)振型的组合数。在进行抗震计算时需考虑振型的数量。数量太少将使计算结果失真;数量太多，不仅浪费时间，还可能使计算结果发生畸变。 高规5.1.13-2 条规定，抗震计算时宜考虑平扭藕
5、联计算结构的扭转效应，振型数不宜小于 15。一般而言，当结构层数较多或结构层刚度突变较大时，振型数应当取得多些，如有弹性节点、多塔楼、转换层等结构形式。 (2)最大地震力的作用方向。地震沿着不同方向作用时，结构的地震反应的大小也各不相同，使得结构的地震反应值最大最不利的作用方向，即为最大地震力的作用方向。最大地震力作用方向可由设计软件自动计算输出，如该角度绝对值大于巧度，应将该数值重新输入到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算，以考虑最不利地震力的作用方向的影响。 (3)结构的基本周期是计算风荷载的重要指标。如果设计人员不知道其准确值，计算时可先设为缺省值，待计算之后从计算书中读取其
6、值，并填入软件的“结构基本周期”选项，重新进行计算。上述的计算目的是将这些对全局有控制作用的整体参数先行计算出来，正确设置，否则其后的计算结果与实际差别很大。 3.2 结构体系的合理性分析 规范特别强调了整体结构的科学性和合理性。对结构进行整体分析是为了解结构在地震作用下动力特性、判断结构的变形是否满足抗震设防要求，以及进行构件截面设计。规范中用于控制整体结构合理性的指标主要是周期比、位移比、刚度比、刚重比和剪重比等。 (l)周期比是控制结构扭转效应的重要指标。周期比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之比。限定周期比的目的是使抗侧力的构件的平面布置更有效更合理，使结构不至于出
7、现过大的扭转。也就是说，限定周期比是使得结构承载布局合理。 高规第 4.3.5条对周期比的限值给出了规定。如果周期比不满足规范的要求，说明该结构的扭转效应明显，设计人员应增大结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。计算软件通常不直接给出结构的周期比，需要设计人员根据计算书中周期值自行判定第一扭转和第一平动周期，然后计算得出周期比。 (2)层间位移比(位移比)是控制结构平面不规则性的重要指标。位移比为最大层间位移与平均层间位移的比值。在建筑抗震设计规范和高规中均对位移比的限值作了明确的规定。需要指出的是规范中规定的位移比限值是按刚性板假定得出的，如在结构模型中设定的
8、是弹性板，则必须在软件参数设置时选择“对所有楼层强制采用刚性楼板假定” ，以计算出正确的位移比。在得出的位移比值满足要求之后，去掉“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”的选择，按弹性楼板假定进行后续配筋计算。 (3)刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标。根据抗震规范和高规的要求，软件分别提供了地震剪力与地震层间位移比，剪切刚度和剪弯刚度的计算方法。正确认识这三种刚度比的计算方法和适用范围是刚度比计算的关键。地震剪力与地震层间位移比可用于判断地下室顶板能否作为上部结构的嵌固端。剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定。剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构。 (4)刚重
9、比是控制结构整体稳定性的重要指标。刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它既是控制结构整体稳定性的重要因素，也是影响重力二阶效应的主要参数。如该值不满足要求，则可能引起结构失稳倒塌，因而设计人员应给予足够的重视。 (5)剪重比(剪力系数)是抗震设计中非常重要的参数。剪重比是楼层剪力与其上各层重力荷载代表值之和的比值。 抗震规范中 5.2.5 节对剪重比的最小值进行了规定，主要是因为对于长周期结构，规范所采用的振型分解反应谱法无法正确计算出地震力所产生的作用，出于结构安全考虑，因而规定了最小剪重比。 4、结论 本文介绍了高层建筑结构的设计分析假设以及设计分析原则，提出了高层建筑在设计分析过程中的普遍原理，下一步将要研究的内容是设计者要依据规范和整体计算结果，针对本工程的具体情况，设计中采取针对性技术措施对薄弱环节予以加强，选用可靠的抗震构造措施以提高结构整体抗震性能。 参考文献 1、方鄂华，钱稼茹，叶列平.高层建筑结构设计M，北京:中国建筑工业出版社，2004 2、徐培福主编.复杂高层建筑结构设计阿，北京:中国建筑工业出版社，2005 3、姚兵编著.我国混凝土技术的成就和发展M，北京:中国建筑工业出版社，2003
