浅谈高层建筑的结构设计体会

浅谈高层建筑的结构设计体会

作者：刘俊民

来源：《科技经济市场》2011年第12期

摘 要：高层建筑越来越多，本文主要根据工程设计中的心得体会，重点对剪力墙、连梁以及高强混凝土的应用等进行了阐述。

关键词：高层建筑；剪力墙；连梁；高强混凝土 0 概述

改革开放以来，我国经济快速发展，政府大力推进城市化进程，高层、超高层建筑得到迅速发展，特别是2000年以后，各省会城市、地级市等经济较发达地区，高层建筑如春笋般拔地而起。而在高层结构设计中，风荷载作用与地震荷载作用是主要控制因素，因此，充分保证结构构件的强度和延性是高层结构设计的首要任务，也是保证结构安全性的基本前提。 高层建筑的结构形式主要有框架结构、框架－剪力墙结构、剪力墙结构、部分框支剪力墙结构、筒体结构以及板柱－剪力墙结构。随着人民生活水平的提高，在高层住宅项目中逐渐以框架－剪力墙结构、剪力墙结构、部分框支剪力墙结构为主要结构形式，高层公建项目则主要应用框架－剪力墙结构、筒体结构等结构形式。下面主要谈一下高层建筑结构设计中的心得。 1 剪力墙设计

剪力墙因其抗侧移刚度大、抗震性能好、防火性能好、施工技术成熟等优点逐渐成为现代高层建筑中广泛应用的对象，尤其在高层住宅项目中应用得更广。以高层住宅项目为例，在结构平面布置上，剪力墙应尽量布置在建筑物周边和角部，且墙体宜对齐，形成联肢墙，增加结构的侧向刚度，使剪力墙成为受力、传力直接的主要结构构件。工程案例表明，能按上述结构原则布置的高层建筑方案，既可减少剪力墙的数量，缩减土建造价，又可减小结构的层间位移角和减少结构扭转的影响。

我国是多地震的国家，高层建筑的防震减灾更应以预防为主[1]。要使建筑物达到抗震规范中的“三水准”，必须保证建筑物的结构在地震作用下具有较好的延性。因此，结构设计时应需对剪力墙的轴压比进行控制。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）7.2.13条，在重力荷载代表值作用下，剪力墙墙肢的轴压比不宜超过表1的限值；对于短肢剪力墙，为防止过早压坏其轴压比更应从严控制，如一、二、三级短肢剪力墙，分别不宜大于0.45、0.50、0.55[2]。

剪力墙的塑性变形能力和抗地震倒塌能力除了与墙肢的轴压比有关外，还与纵向配筋即剪力墙两端的约束构件范围有关。在高层建筑中，通过对剪力墙两端的墙肢设置约束边缘构件，使墙肢端部成为箍筋约束混凝土，并具有较大的受压变形能力。剪力墙端部的暗柱、端柱和翼

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

墙为边缘构件的具体表现形式。结构设计时，边缘构件的竖向钢筋除应满足正截面受压或受拉的承载力计算要求外，尚应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）7.2.15条、7.2.16条相关要求。值得设计人员注意的是，边缘构件竖向钢筋不应盲目放大，特别是底部加强部位边缘构件。这是因为剪力墙墙肢的塑性铰一般出现在底部加强部位——即墙肢的底部钢筋屈服而出现塑性铰。而结构抗震要求是实现强剪弱弯，盲目地放大底部加强区边缘构件的竖向钢筋，会使墙体的抗弯强度大于其抗剪强度，刚好与抗震设防理念背道而驰。同时，为了更有把握实现塑性铰出现在底部加强区部位，保证其它部位不出现塑性铰，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）7.2.5条对于一级抗震等级的底部加强部位以上的剪力墙，其墙肢弯矩设计值放大了1.2倍，剪力设计值放大了1.3倍。因此，在具体工程的施工图绘制过程中，根据结构计算结果设置的剪力墙钢筋已能满足小震作用下的结构安全需要。

剪力墙的水平分布筋主要作用为抗剪，防止墙体在斜裂缝出现后发生脆性剪切破坏，另一方面的作用是起到抵抗混凝土温度收缩应力、防止混凝土出现裂缝。结构设计时，水平分布筋除应满足计算要求外，尚应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）7.2.17条和10.2.19条的最小配筋率要求。规范设置水平分布筋的最小配筋率，是为了防止斜裂缝出现后发生脆性的剪拉破坏。设计人员应注意，剪力墙中配置直径过大的分布钢筋，容易产生墙面裂缝。因此，建议剪力墙分布筋的间距尽量控制在200mm以内。 2 连梁设计

由于建筑使用功能的需要，连梁在高层住宅项目中普遍存在。在高层结构抗震设计中，连梁是剪力墙发生弯曲破坏的第一道防线，其破坏机理是：在地震水平力作用下，连梁首先屈服并形成塑性铰，通过梁端塑性变形吸收地震能量，从而起到控制结构侧向刚度、增加结构阻尼比与耗能减震，使剪力墙在大震下仍能起到主要承重构件的作用。因此，连梁应具有充分的强度和刚度，同时又要具备良好的耗能性能。在进行钢筋混凝土剪力墙设计时，应遵循“强墙弱梁、强剪弱弯”的抗震设计原则，保证连梁先于墙肢屈服，且连梁的抗剪承载力高于其抗弯承载力。目前采取的方法有：（1）在结构整体计算时对连梁刚度进行折减，一般折减系数为0.7；（2）加大剪力墙洞口宽度；（3）在连梁中部开水平缝。在连梁配筋方案中，除《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中规定的集中对角斜筋和对角暗撑方式外，现刚开始执行的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中增加了交叉斜筋的配筋方式，其比集中对角斜筋方式并不增加施工难度，而斜向钢筋在梁腹和梁端处分布更均匀。研究表明，交叉斜筋能有效防止突发的斜向劈裂剪切失效，并提高了连梁的耗能能力[3]。 3 高强混凝土设计

根据CECS 104:99《高强混凝土结构技术规程》1.0.2条规定：“高强混凝土为采用水泥、砂、石、高效减水剂等外加剂和粉煤灰超细矿渣硅灰等矿物掺合料以常规工艺配制的C50~C80级混凝土。”由于近几年科学技术的发展，C80以上的高强混凝土也已经在一些超高层建筑中应用，例如深圳京基100工程采用了C120高强混凝土。但目前对C80以上的高强混凝土的性能研究尚不够，规范也暂未列入，因此，高强混凝土仍定义为C50~C80级混凝土。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

高强混凝土作为一种现阶段普遍应用的建筑材料，其特性是抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低，因此在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到了广泛的应用。在高层建筑中，若应用了高强混凝土，结构构件的截面一般会比采用普通混凝土的结构构件小15%～30%。试验表明，在一定的轴压比和合适的配箍率情况下，高强混凝土框架柱、剪力墙具有较好的抗震性能，而且框架柱、剪力墙截面尺寸减小，减轻了结构自重，避免短柱或短肢墙，对结构抗震非常有利，而且提高了经济效益。由于中国各地经济发展不平衡，高强混凝土的市场在各地也不同。因此，在具体工程项目设计中，应根据当地高强混凝土的市场情况确定高强混凝土的强度等级。对于100米左右的高层建筑，使用C50~C60强度等级的高强混凝土便可起到明显的经济效益。 4 结语

高层建筑的结构设计是个复杂的课题。掌握结构的受力原理和材料的性能，是进行高层建筑结构设计的前提条件。了解规范条文的宗旨，在设计中不断学习，就可在设计中不断进步。 参考文献：

[1] 《建筑抗震设计规范》.GB50011-2010. [2] 《高层建筑混凝土结构设计规程》.JGJ3-2010.

[3] GALAN L,VIGNOLI A. Seismic behavior of short coupling beams with different reinforcement layouts[J].ACI Sturcral,2000,97(6).