摘要：現代生活中的高層建筑結構型式越來越復雜，在結構設計中既要適應市場需求，又要滿足規范要求，除了進行必要的抗震計算分析外，更重要的是結構的概念設計。本文通過分析高層建筑結構設計特點，針對概念設計的基本原則，提出在高層建筑結構體系的選擇及抗震性能方面應注意的問題。
　　關鍵詞：高層建筑，建筑結構，概念設計
　　
　　一、高層建筑結構設計的特點
　　1、高層建筑結構設計與低層多層建筑結構設計相比較，結構專業在各專業中占有更重要的地位。不同結構體系的選擇，直接關系到建筑平面布置，立面體型，樓層高度，機電管道的設置，施工技術要求，施工工期的長短和投資造價的高低。
　　2、高層結構設計中水平力是設計的主要因素。在低多層房屋結構中，水平力產生的影響較小，以抵抗豎向荷載為主，側向位移小，通�？梢院雎圆挥�。在高層結構設計中，隨著結構高度的增加，水平力(風荷載或地震作用)產生的內力和位移迅速增大。
　　3、高層建筑結構設計中，不僅要求結構具有足夠的承載力，而且必須使結構具有足夠的抵抗側向力的剛度，將結構在水平力作用下所產生的側向位移限制在規范規定的范圍內。因此，高層建筑所需的側向剛度由位移控制。
　　4、高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣基礎條件下，減輕房屋自重意味著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層數，這在軟弱土層地區更有突出的經濟效益。另外地震效應是與建筑的質量成正比的，減輕房屋自重是提高結構抗震能力的有效方法。因此在高層建筑中，結構材料宜采用高強度材料。
　　5、在高層建筑的抗風設計中，除保證結構有足夠承載力，還必須具有足夠的剛度；控制好在風荷載作用下的位移值，保證有良好的居住和工作條件；維護結構和裝飾構件必須有足夠的承載力，并與主體結構可靠連接。
　　6、有抗震設防的高層建筑應進行詳細勘察，摸清地質情況，選擇位于開闊平坦地帶，具有較好場地土的對抗震有利的地段。
　　7、地基基礎的承載力和剛度要與上部結構的承載力和剛度相適應。當上部結構與基礎連接部位考慮受彎承載力增大時，相臨基礎及上部結構嵌固部位的地下室結構，應考慮彎矩增大的作用。
　　8、剪跨比和剪壓比是判別梁、柱和墻肢等抗側力構件抗震性能的重要指標。剪跨比用于區分變形特征和變形能力，剪壓比用于限制內力，保證延性。
　　
　　二、高層建筑概念設計的基本原則
　　1、以承載力、剛度、延性為主導目標，實施多道防線、剛柔結合的結構形式。即應具有一定大的剛度和承載力來抵御風荷載和小震，隨著第一道防線破壞，結構變柔后仍有足夠大的彈塑性變形能力和延性耗能能力來抵御未來可能遭遇的罕遇大震。例如，林同炎教授根據此思想設計的l8層馬那瓜美洲銀行在1972年的馬那瓜大地震中經受了絕佳的考驗。
　　2、在對結構進行分析計算時，應該運用最簡單、最直接、概念最清楚的計算方法，將結構的受力與傳力途徑設計成簡單、直接、明確。盡可能避免出現以抗扭為主導的關鍵性傳力構件。
　　3、盡可能使結構平面布置的正交抗側力剛度中心(簡稱剛心)和建筑物表面力(風力)作用中心或質量重心(質心)靠近或重合，以避免或減小在風荷載或地震作用下產生的扭轉效應。
　　4、建筑物豎向布置的抗側力剛度構件也最好設計成均勻、連續，避免出現薄弱層和上下層間的剪切剛度、彎曲剛度的突變。
　　5、應重視上部結構與其支承結構整體共同作用的機理，即傳力與受力結構兩者之間的共同作用；例如，在高層建筑的箱基和筏基的底板設計中，計算軟件無法進行上部結構—－地下室—－地基基礎的相互作用分析，計算出來的底板內力遠遠大于底板實際受到的內力。
　　
　　三、高層建筑中的結構體系的選擇
　　結構設計實際上是在各種約束條件下的最優化選擇過程。在這一過程中要對建筑材料與結構形式進行綜合考慮，如建筑材料形式主要有鋼筋混凝土結構、鋼結構、混凝土和鋼的組合結構：結構體系主要有剪力墻結構、框架剪力墻結構、框筒結構、筒中筒結構。
　　對于結構選型來說，沒有普遍使用的選擇標準，往往是隨著建筑的環境、功能要求有所變化，每一選擇都有其優劣性，需要設計師仔細斟酌。例如：框筒是高層建筑最常用的結構形式，為了減少框筒的剪力滯后，外框筒一般應采用密柱高裙梁的形式。但這種做法不僅限制了建筑體型和建筑功能，而且當建筑的平面尺寸較大時也往往難以發揮結構的效能。因而，在結構的豎向平面內增加斜向支撐，形成組合框架式結構的做法，已在工程界廣泛采用，并被認為是增加高層結構抗側移剛度的最有效和經濟的方法。香港的中銀大廈、上海證券大廈等工程，在外框筒中增加了斜撐，達到了結構和建筑的完美結合。
　　選型與布置的具體內容：
　　一是結構平面形狀和立體體型的選擇。平面形狀宜簡單、規則、對稱，避免過多的外伸、內凹，以預防地震時產生大的震害。
　　二是電梯間的布置。電梯間會對樓板產生較大的削弱，布置時應盡量避開端角和凹凸處。同時，還應避免在電梯開洞后將建筑物截為兩段。在純框架結構中，電梯井一般不宜采用鋼筋混凝土井筒，所以，到底設計成框架結構還是框剪結構，必須十分明確。如為框架結構，則不宜設剪力墻：如設計為框剪結構，剪力墻的數量必須足夠。
　　三是錯層的布置。一般說來，高層建筑不應設置錯層，對于因局部取消梁板而形成的聯層柱，應控制其高度。
　　四是必須具有明確的主群樓關系。
　　五是為防止地震時高層建筑的傾覆和滑移，基礎必須有足夠的埋深。
　　
　　四、提高結構的抗震性能
　　由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區進行高層建筑結構設計時，除應保證結構具有足夠的強度和剛度外，還應具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設計，使建筑物達到小震不壞，中震可修，大震不倒。為了達到這一要求，結構必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產生的能量，減弱地震破壞的影響。
　　框架結構設計應使節點基本不破壞，梁比柱的屈服易早發生。同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應使梁、柱端的塑性鉸出現得盡可能分散，充分發揮整體結構的抗震能力。為了保證鋼筋砼結構在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點弱構件”的原則進行設計，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構造配筋要求，特別是要加強節點的構造措施。
　　對于框架一剪力墻結構和剪力墻結構中各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發揮抗震作用前不失效。按照“強墻弱梁”的原則加強墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。
　　
　　隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，對建筑結構設計也提出了更高的要求。因此，作為工程設計界的同仁，我們應該在工程設計的實踐中推廣和運用概念設計的思想，不斷提高建筑結構方案設計的水平。我們相信，概念設計必然會為越來越多的結構工程師所接受，并將在結構設計中發揮更大的作用。
　　
　　參考文獻
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