浅谈高层建筑结构设计的几个控制指标与几个值得重视的问题范文合集

1、浅谈高层建筑结构设计的几个控制 指标与几个值得重视的问题范文合 集随着我国经济建设的快速发展，高层 建筑已经逐步发展成为城市建筑的主要形 式。高层建筑由于高度较大，与多层结构 相比有明显不同的受力和变形性能，水平 荷载和地震作用是主要的控制因素。判断 结构布置合理性和结构体系的经济性能是 高层建筑结构设计的关键，规范用于控制 高层建筑整体性的设计指标主要有：周期 比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之 比、剪重比、刚重比以及轴压比等。以下 就上述控制指标作简明阐述。1周期比周期比是控制结构扭转效应的重要指标， 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的比值。周期比控制的 是侧向刚度与

2、扭转刚度之间的一种相对关 系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧 力构件的平面布置更有效、更合理，使结 构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转 效应，而不是在要求结构具有足够大的刚 度。4.3.5高层建筑混凝土结构技术规程j gj3-221（以下简称高规）第条规 定：结构扭转为主的第一自振周期tt与平 动为主的第一自振周期t1之比，a级高度 高层建筑不应大于0.9, b级高度高层建筑、 混合结构高层建筑及本规程第10章所指的 复杂高层建筑不应大于0.8 5。调整结构周期比的措施主要有两种：1 ） 提高结构的抗扭刚度。这样可以改善结构 的抗扭性能，是解决结构抗扭薄弱的根本 方法。提高抗扭刚度一般需要

3、调整结构布 置，增加结构周边构件的刚度，降低结构 中间构件的刚度；有时要改变结构类型，如增加剪力墙、异形柱等等。这种改变一 般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。调整原则是要加强结构外圈刚度（例 如在建筑周边加剪力墙或者柱间支撑）， 或者削弱内筒降低结构中间的刚度，以增 大结构的整体抗扭刚度。2）降低平动刚度 使平移周期加长。此法仅适用于原来结构 刚度较大，层间位移远小于规范限值的情 况。2位移比位移比是控制结构平面规则性的重要 指标，是指楼层竖向构件的最大水平位移 和层间位移与本楼层平均值的比值。结构 是否规则、对称，平面内刚度分布是否均 匀是结构本身的性能，可以用结构刚心与 质心的相对位

4、置表示，二者相距较远的结 构在地震作用下扭转可能较大。由于刚心 与质心位置都无法直接定量计算，规范采 用了校核结构位移比的要求。在楼板平面 内无限刚性的假定下，增加了附加偏心距5% l计算校核位移比。4.3.5高规第条规定，在考虑质量 偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构 件的最大水平位移和层间位移，a级高度 高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍， 不应大于该楼层平均值的1.5倍；b级高度 高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第1 0章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平 均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1. 4倍。位移比是一个相对值，在相同的位移 比下，当结构刚度较小、平均侧向位移较 大

5、时，扭矩产生的最大位移也大，对结构 的危害也较大；相反，如果是同样的位移 比，当结构侧向位移较小时，最大位移也 相对较小；此时可以将位移比与位移最大 值进行综合考虑，适当放宽位移比的限制 值。例如最大层间位移小于规范规定值的5 0%时，位移比限值可以放松10%，当最大 层间位移更小时，放松的幅度还可加大， 但不宜超过20%2。调整位移比的措施主要 有三种：1）提高结构的抗扭刚度。主要通 过调整结构布置来实现，与周期比的控制 措施相同。2）提高结构的抗扭承载力。当 结构布置的调整较困难时，可以在设计中 考虑“双向地震组合”以提局结构的承载 能力，或增大计算扭矩，将附加扭矩加大， 增大构件设计内力

6、，提高结构的抗扭承载 力2。同时也应增加抗震构造措施和延性措 施，提高结构变形的延性，加强局部薄弱 部位。3）设置防震缝。当结构平面复杂、不对称或各部分刚度、高度和重量相差悬 殊时，调整抗扭刚度难以满足规范要求，可以设置防震缝，把整个结构分成几个相 互独立的规则结构。3刚度比层刚度比是控制结构竖向规则的重要指 标，体现了结构整体的竖向匀称度。楼层 侧向刚度可取该楼层剪力和该楼层层间位 移的比值。在判断楼层是否为薄弱层、地 下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否 满足要求时，都是用层刚度比作为依据。规范提供了三种层刚度的计算方法：楼层剪切刚度、剪弯刚度和楼层平均剪 力与平均层间位移比值的层刚度。4

7、.4.2高规第条规定，抗震设计的高 层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相 邻上部楼层向刚度的70%或其上相邻三层 侧向刚度平均值的80%。楼层层刚度比的变化主要由于竖向构 件不连续、楼板大开洞、层高有较大变化 等造成的。由于层刚度产生的薄弱层，可 以通过调整结构布置和材料强度等级以避 免薄弱层的出现。对于不能避免出现的结 构薄弱层，规范要求其地震剪力乘以1.15 的增大系数，同时应加强抗震延性构造措施，提高结 构的抗震等级、楼板加强、弱连接结构的 加强等，从而加强薄弱部位。4层间受剪承载力之比层间受剪承载力之比也是用来控制结构 竖向不规则的重要指标。层间受剪承载力 是指在所考虑的水平地震作用方

8、向上，该 层全部柱及剪力墙的受剪承载力之和。4.4.3高规第条规定，a级高度高层建 筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不 宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应 小于其上一层受剪承载力的65%； b级高 度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪 承载力不应小于其上一层受剪承载力的7 5%。楼层抗剪承载力的简化计算，只与竖向 构件尺寸、配筋有关，与它们的连接关系 无关。由于楼层承载力产生的薄弱层，只能通过调 整配筋提高结构的承载能力来解决，如提 高“超配系数”等。5剪重比剪重比是反映地震作用大小的重要指标， 是对应于水平地震作用标准值的剪力与重 力荷载代表值的比值。由于在长周期作用 下，地震影响系数

9、下降较快，计算出来的 水平地震作用下的结构效应可能偏小。而 对于长周期结构，地震地面运动速度和位 移可能对结构的破坏具有更大的破坏作 用，但采用振型分解法时无法对此做出较 准确的计算。因此出于安全的考虑，规 范规定了最小剪重比。3.3.13高规第条规定各楼层的剪重 比不应小于表1的规定值，具体说明参见 该条款的规定。表1楼层最小地震剪力系数值考察结构的剪重比时，应先确定结构 的“有效质量系数”，当“有效质量系数 大于90%时，可以认为地震作用满足规范要 求，然后再考察结构的剪重比是否合适。 剪重比不满足要求时采取的措施有两种.1）根据规程最小水平地震剪力调整各层水 平地震作用，这种方法适用于结

10、构整体刚 度满足规范要求的情况。2）调整结构布置、 增加结构的刚度，使计算的剪重比能自然 满足规范要求，这种方法适用于结构存在 结构薄弱部位的情况。6刚重比刚重比是控制结构整体稳定的重要 因素，也是影响重力二阶效应（即p-a效 应）的主要参数，是结构刚度与重力荷载 之比。重力二阶效应包含两部分，（1）由 构件挠曲引起的附加重力效应；（2 ）由水 平荷载产生侧移，重力荷载由于侧移引起 的附加效应。一般只考虑第后一种，前一 种对结构影响很小。当结构侧移越来越大 时，重力产生的附加效应也将越来越大，从而降低构件承载力直至最终失稳。5.4.2高规第条规定，高层建筑结构 如果不满足第5.4.1条（即结构

11、刚重比）的规定，应考虑重力二阶效应对水平力 （地震、风）作用下结构内力和位移的不 利影响。高规5. 4. 4条给出了高层建筑 结构刚重比的要求。对于剪力墙、框架一 剪力墙结构和筒体结构不应小于1.4;对 于框架结构不应小于10。5.4.4设计高层建筑结构考虑抗风和抗 震要求的出发点是相互矛盾的。刚度大的 结构对抗风荷载有利，其动力效应和振幅小。相反，较柔的结构抗震性能好，一是 地震作用小，二是可以避免与地震产生共 振，这样就不会产生过大的地震反应。所 以一个结构的刚度并不是越大越好的，另 外由于罕遇地震的强度无法预估，一味地 盲目加大结构整体刚度是不可取的，这样 不仅会造成很大的浪费，而且还会

12、给结构 带来很大危害3。对于高层建筑，应采用一 个刚柔相济、具有理想刚度的结构方案。 对结构整体稳定验算符合高规第条规 定，但通过考虑p-效应后不满足整体稳 定的结构，必须调整结构布置，提高结构 的整体刚度；对整体稳定计算直接不满足 高规第5. 4. 4条规定的结构，必须调整 结构方案，减小结构的高宽比。7轴压比轴压比是控制框架柱截面延性性能的主 要指标，是指柱考虑地震作用组合的轴压 力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗 压强度设计值乘积的比值。控制轴压比限 值的目的是要求框架柱截面达到具有较好延性性能的大偏压延性破坏状态，以防止 小偏心受压状态的脆性破坏。从而保证框 架结构在罕遇地震作用下，

13、即使超出弹性 极限仍具有足够大的弹塑性极限变形能力， 实现“大震不倒”的设计目的。6. 4.2高规第条和7.2. 14条分别给 出了混凝土框架柱和剪力墙的轴压比限值。 如表2和3所示。表2柱轴压比限值表3剪力墙轴压比限值控制轴压比限值的调整措施有以下几方 面：1）提高箍筋的横向约束能力；包括体 积配箍率和箍筋的强度与构造形式等。2） 提高混凝土的强度等级；这样可以提高核 心区混凝土抗压碎的能力或核心区混凝土 的极限压应变能力。3）提高纵向钢筋的配 筋率与强度；这样可以提高柱周边纵向钢 筋承担截面轴压的能力，相应减小了核心 区混凝土的压应力，提高框架柱的变形能 力。4）减小上部结构的重量；采用轻

14、质高 强的新材料，如采用钢结构建筑体系等。浅谈高层建筑结构设计中几个值得 重视的问题我国高层建筑大量涌现，由于高层建 筑平面布置和立体面的复杂，给高层建筑 结构设计带来了挑战。本文结合实践经验 对高层建筑设计中几个值得重视的问题进 行了研究。一、宏观上控制结构的强度和延性 结构在受力进塑性变形阶段后仍具有较强 的变形能力，为避免倒塌，尤其是结构抗 震设计中，一方面要保证结构具有足够的 强度。另一方面，要保证结构具有一定的 延性，强度要从电算的位移刚度等进行控 制，而延性则主要从以下几个方面控制，以防结构的脆性破坏。1.1构件截面抗震承载力调整水平地震作用与重力荷载效应组合对应的结构构件截面抗震

15、承载力须根据受力状态进行调整放大提高，以达到结构的柔性破 坏。1. 2竖向构件轴压比控制高层建筑竖向构件在重力荷载、水平荷载 共同作用下的轴压比控制是保证高层建筑 结构延性和安全度的重要措施之一，其表 达式如下：轴压比=总组合轴压力设计值/ （混凝土抗压 设计值x构件截面积）。轴压比的高低直接体现构件延性的优劣，轴压比较低的构件延性较好，反之延性较 差。因此。地震作用效应组合下的竖向构 件轴压比必须满足规范限值。1. 3结构构件剪压比控制其表达式为：板剪压比=组合设计剪力/（混凝土抗压设计强度x构件腹净面积）。高层建筑各类结构构件在重力荷载、水平 荷载共同作用下的剪压比控制是保证高层 建筑结构

16、延性、安全度的又一重要措施。 1.4结构构件合适含钢率选择 高层建筑结构构件截面尺寸及其混凝土强 度等级合适确定后，构件配置的各种受力 钢筋和非受力构造钢筋具有合适的含钢率， 是控制高层建筑结构强度、刚度及裂缝， 使之能正常工作的另一个极其重要的设计 原则和手段，合适含钢率的配置是现浇钢 筋混凝土高层建筑结构本身应有的特性的 体现。二、高层建筑结构设计中的扭转问题 建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重 心即为建筑三心，在结构设计时要求建筑 三心尽可能汇于一点，即三心合一。结构 的扭转问题就是指在结构设计过程中未做 到三心合一，在水平荷载作用下结构发生 扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载 作用

17、而发生的扭转破坏，应在结构设计时 选择合理的结构形式和平面布局，尽可能 地使建筑物做到三心合一。在某些情况下，由于城市规划对街道景观 的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不 可能全部采用简单平面形式，当需要采用 不规则1形、t形、十字形等比较复杂的平 面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比 值控制在规范允许的范围之内，同时，在 结构平面布置时，应尽可能使结构处于对 称状态。建筑结构的振动周期问题包含两方面：合理控制结构的自振周期;控制结构的自 振周期使其尽可能错开场地的特征周期。2.1结构自振周期高层建筑的自振周期(tl)宜在下列范围内: 框架结构:tl二(0. 10. 15)n 框-剪、框筒结构

18、：tl=(0. 080. 12) n 剪力墙、筒中筒结构：t 1=(0. 0o. 10)n n为结构层数。结构的第二周期和第三周期宜在下列范围 内：第二周期：t2=(l/3l/5)tl ;第三周期： t3:(l/5l/7)tl 0如果周期偏离上述数值太远，应当考虑本 工程刚度是否合适，必要时调整结构截面 尺寸。如果结构截面尺寸和布置正常，无 特殊情况而计算周期相差太远，应检查输 入数据有无错误。从实例的计算结果看，其自振周期计算值接近估算值的下限，可 考虑调整结构刚度，适当增大结构的自振 周期。2. 2共振问题当建筑场地发生地震时，如果建筑物的自 振周期和场地的特征周期接近，建筑物和 场地就会

19、发生共振。因此在建筑方案设计 时就应针对预估的建筑场地特征周期，通 过调整结构的层数，选择合适的结构类别 和结构体系，扩大建筑物的自振周期与建 筑场地特征周期的差别，避免共振的发生。 2. 3水平位移特征水平位移满足高层规程的要求，并不能说 明该结构是合理的设计。同时还需要考虑 周期及地震力的大小等综合因素。因为结 构抗震设计时，地震力的大小与结构刚度 直接相关，当结构刚度小，结构并不合理 时，由于地震力小则结构位移也小，位移 在规范允许范围内，此时并不能认为该结 构合理。因为结构周期长、地震力小并不 安全;其次，位移曲线应连续变化，除沿竖 向发生刚度突变外，不应有明显的拐点或 折点。一般情况

20、下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型;框架结构的位移曲线应为剪切 型;框-剪结构和框-筒结构的位移曲线应为 弯剪型。三、结构刚度高层建筑的抗侧刚度对结构的抗震性能有 很大的影响，应设计得刚些还是柔些，不 同的设计人员有不同的看法，因此各结构 物的经济指标相差较大。如深圳等沿海地 区的高层建筑大多数都设计得比较刚，特 别是高层住宅，主要表现在剪力墙较多，而且墙普遍较厚，有些建筑只有十几层， 墙厚达500-60(hnm左右，比较浪费，计算的 最大相对侧移值只有1 /3000-1/50，甚 至更小。在土质较好，基岩埋深也普遍较 浅的地区，高层建筑大多采用桩基，持力 层多落在中、微风化岩，地基的特征周期

21、值较小，所以高层建筑的抗侧刚度一般可 以设计得柔些，以结构的极限变形能力作 为控制值。在满足变形限值的前提下，结 构刚度尽可能设计得小些，这样，既降低 了地震作用，也使场地土与建筑物发生共 振的可能性减小，而且又达到了经济目的。四、高宽比限值高规中对高层建筑的结构高宽比h/b进 行限值的目的是为了保证结构整体的稳定 性和不倾覆。一般而言，随着建筑物高度 的增加，倾覆力矩也将迅速增大，高宽比 大的结构其安全性和经济性较差，所以高 宽比限值原则上是需要的。但目前高宽比限值中考虑的因素过于简单。 首先，结构的抗倾覆性与基础埋深、基础 宽度及基础形式等有很大的关系。基础埋 得越深、基础宽度越大、结构抗倾覆能力 就越好，高宽比就可以越大一些;有桩基础 的结构上抗倾覆能力比天然地基的抗倾覆 能力好，所以高宽比也可以大些。其次， 上部结构的刚度分布不同，结构的整体性 也不同，若上部结构通过合理的结构设计 能保证结构具有足够的刚度，以使结构在 地震作用下和风振下都不会有过大的动力 反应，高宽比也可以大些。五、关于抗震构造措施新的高规较“89规范”增加了有关短 肢剪力墙的规定，但有些条文在设计应用 时，尚