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摘要：随着经济的发展，城市建设日新月异，高层建筑越来越普遍。本文简要阐述了高层建筑结构设计的特点，介绍了高层建筑的结构形式，归纳了采用SATWE进行高层结构设计过程中需要控制的几个参数指标，并提出了参数指标调整的原则方法，以供参考。
关键词：高层建筑；结构形式；问题浅析
随着城市化进程的推进，越来越多的人离开农村，涌向了城市，土地资源稀缺性进一步凸显，也就为高层建筑的发展提供了条件。近年来，国内高层建筑快速发展，高度越来越高，体型也越来越复杂，对高层结构设计人员的技术水平提出来更高的要求。
一、高层建筑结构设计特点
高层建筑结构设计与多层建筑结构设计相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，其特点主要体现在以下几个方面：
1、高层结构设计时，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。高层建筑竖向荷载往往与其高度越高成正比，而水平荷载产生的倾覆力矩及竖向构件的轴力却与建筑物的高度有着二次方的关系。
2、与多层结构不同，随着建筑高度的增加，水平作用下结构的侧移迅速增大，成为高层结构设计中的重要因素。高层结构设计中不仅要求结构具有足够的竖向承载能力，还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在规范规定的要求范围内。
3、注意高层结构竖向构件轴向变形，这是我们不能忽略的问题。高层建筑同层处竖向构件的应力状态差别较大，构件的轴向变形有所差别，这就类似于基础的不均匀沉降，会影响到相关梁配筋，设计时应注意。
4、控制自重在高层结构设计中显得更为重要，特别在场地地质条件较差的地区有着良好的经济效益。因为相同的地基条件下，减轻建筑物自重就意味着不增加基础投资的前提下可以多建几层，对提高抗震性能也大有好处。
5、高层结构设计需要优秀的概念设计。现阶段的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性，比如对混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。同时计算机结果的高精度特点，往往给结构设计人员带来对结构工作的误解，结构工程师只有加强结构概念的培养，才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。
二、高层建筑主要结构形式
现阶段国内高层建筑结构类型主要有：框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构等。每种结构形式都有其适用范围、优缺点。作为结构工程师必须全面了解其特点，这样才能设计出科学合理的建筑。
1、框架结构
框架结构是由梁与柱为主要构件组成的承受竖向和水平作用的结构。此种结构平面布置灵活，具有较大的室内空间，使用比较方便。框架结构具有较好的延性和抗震性能，而抗侧刚度相对其他结构形式较小，在水平力作用下，容易引起较大的水平位移，因此建筑高度受到限制。建筑最大适用高度非抗震设计时为70米，7度抗震设防时为50米。
2、剪力墙结构
此种结构利用剪力墙承受竖向及水平荷载作用，主要应用于住宅、旅馆等开间要求较小，分隔墙体较多的高层建筑。钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，是一种有效的抗侧力构件，在水平荷载作用下侧向变形呈弯曲型，变形较小，容易满足规范的相关要求。剪力墙结构的缺点主要表现在房间开间较小，平面布置不灵活，故要求有较大自由空间的公共建筑中比较少采用剪力墙结构。
剪力墙结构中，往往由于上、下部建筑功能要求的不同，造成局部剪力墙不能落地，需要转换，这就形成了部分框支剪力墙结构。在底部商业、架空层等要求需要大空间的住宅中这种结构比较普遍。转换层的设置应尽量避免高位转换。
3、框架-剪力墙结构
框架结构在抗侧刚度上不如剪力结构优秀，在框架结构无法满足侧向刚度要求时，可将框架结构与剪力结构相结合以形成框架-剪力墙体系。利用框架来承受竖向荷载，剪力墙承受水平剪力，这既改善了剪力墙结构开间小的不足，又提高了框架结构的抗侧刚度。框架-剪力墙结构的侧向变形呈弯剪型。
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4、筒体结构
筒体结构是在框架-剪力墙结构和剪力结构的基础上演化形成，分为框架-核心筒结构和筒中筒结构。筒体结构具有很好的侧向刚度和强度，结构抗侧性能好。由于剪力墙集中布置从而形成比较宽敞的自由分割空间，是目前超高层结构的主要结构形式。
在同等条件下，筒体结构的最大适用高度最高，剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架结构依次次之。
三、高层结构设计的几个比值
为使高层结构更安全、更合理，设计过程中需要控制如下几个指标：
1、轴压比
墙、柱轴压比是指墙、柱轴压力设计值与其全截面面积与混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值，是与墙柱抗震性能息息相关的一个主要因素。相关规范中对轴压比有限值要求，使结构具有良好的延性，改善结构的抗震性能。如轴压比不满足限值要求，根据其定义，增大墙、柱截面面积或提高混凝土强度等级是行之有效的方法。
2、剪重比
剪重比也就是最小地震剪力系数，其主要控制楼层最小地震剪力，特别对周期比较长的结构或存在薄弱层的结构，考虑到结构的安全性，规范提出了剪重比的要求，以便控制楼层地震剪力不至于过小。就好像最小配筋率的要求，如计算楼层剪力达不到规范的最低要求，则需要人为强制提高，确保结构安全。
3、层刚度比
层刚度比指不同楼层侧向刚度的比值，主要控制竖向规则性，避免竖向刚度突变从而形成薄弱层。层刚度比可用于判断地下室顶板是否可作为嵌固端，转换层上、下刚度是否满足规范要求以及是否存在薄弱层。根据规范要求，薄弱层地震剪力放大1.25倍。我们也可以通过适当的调整来避免薄弱层的发生，调整原则为下增上减。下增就是增强下部结构刚度，譬如适当增加本层墙、柱和梁截面，或减少本层层高；上减就是削弱上部结构刚度，譬如适当削弱上部墙、柱和梁截面，或增加上部相关楼层层高。
4、位移比（层间位移比）
位移比是指最大层间位移与平均层间位移的比值，主要是为控制结构平面的规则性，避免过大的偏心从而导致较大的扭转效应。如位移比偏大，不满足规范要求，调整的方法只有改变结构平面布置，以尽量缩小刚心和形心的距离。
当我们采用SATWE计算时，应注意位移比验算须考虑偶然偏心影响且选择强制刚性楼板假定，层间位移角验算则不考虑偶然偏心影响。
5、周期比
周期比指结构扭转为主的第一周期Tt和平动为主的第一周期T1的比值，主要为控制结构的扭转效应，减小扭转对结构的不利影响。周期比超过规范限值，则说明结构抗侧力构件布置不合理，抗扭刚度相比侧移刚度较小，以至于扭转效应过大。可按强外围，弱中间的原则进行调整。
第一振型扭转，说明结构的抗扭刚度相比其他两个主轴的抗侧刚度偏小，此时宜沿两主轴方向适当加强结构外围刚度，并适当减弱结构内部刚度。如第二振型扭转，说明结构沿两个主轴方向的抗侧刚度差异较大，结构的抗扭刚度相对其中一主轴（第一振型转角方向）的抗侧刚度是合理的；但相对于另一主轴（第三振型转角方向）的抗侧移刚度则过小，此时应适当削弱结构内部沿“第三振型转角方向”的刚度，并适当加强结构外围（主要是沿第一振型转角方向）的刚度。
6、刚重比
刚重比是指侧向刚度与重力荷载设计值的比值。根据高规5.4.1、5.4.2及条文说明，规范上限是用于确定重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应能否忽略不计，而下限是控制重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应不致过大，避免结构的失稳倒塌。刚重比如大于规范上限，则重力二阶效应的影响较大，应予以考虑。刚重比如小于规范下限，则刚度相对于重力荷载过小。但刚重比过大时，则说明结构的经济技术指标较差，应适当削弱墙、柱等竖向构件。
结束语：
高层建筑结构设计与普通结构设计有着许多不同之处。对高层建筑结构工作者来说，根据建筑方案要求，选择一个合适的结构形式进行结构布置，然后模型计算、分析、调整，最后进行施工图设计，这是一个任重道远的工作。
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论文作者:黄国永
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/9
标签：结构论文; 刚度论文; 结构设计论文; 高层建筑论文; 荷载论文; 位移论文; 剪力论文; 《基层建设》2016年11期论文;