浅论高层建筑结构体系及设计要点

浅论高层建筑结构体系及设计要点

陈宇杜伟强郑州大学综合设计研究院

【摘要】本文结合自身工作经验，论述了高层建筑结构体系的特点以及设计的要点，并针对高层建筑的楼梯设计和现浇梁板共同作用的问题进行简单介绍。

【关键词】高层建筑结构设计结构体系要点

一、高层建筑结构体系的特点１．框架结构。框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由粱和柱通过节点构成承载结构，框架形成可灵活布置的建筑空问，具有较大的室内空间，使用较方便。由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制；剪切型变形，即层间侧移随着层数的增加而减小；框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用不多；高度一般控制在７０ｍ以下。

２．剪力墙结构。利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。剪力墙结构体系于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载。现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求也容易满足；剪力墙结构体系主要缺点：主要是剪力墙间距不能太大，平面布置不灵活，不能满足公共建筑的使用要求。此外，结构自重往往也较大。当剪力墙的高宽比较大时，是一个受弯为主的悬臂墙，侧向变形是弯曲型，即层间侧移随着层数的增加而增大。剪力墙结构在住宅及旅馆建筑中得到广泛应用。因此这种剪力墙结构适合于建造

较高的高层建筑。根据施工方法的不同，可以分为：全部现浇的剪力墙；全部用预制墙板装配而成的剪力墙；内墙现浇、外墙为预制装配的剪力墙。在承受水平力作用时，剪力墙相当于一根下部嵌固的悬臂深梁。剪力墙的水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成。高层建筑剪力墙结构，以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲形，特点是结构层间位移随楼层增高而增加。

３．框架－剪力墙结构。在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来；取长补短；共同抵抗水平荷载，就组成了框架一剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成简体，又可称为框架一简体结构体系。框架一剪力墙（简体）结构比框架结构的刚度和承载能力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙及外墙）的损坏，这样无论在非地震区还是地震区，这种结构型式都可用来建造较高的高层建筑，目前在我国得到广泛的应用。

４．简体结构。单个简体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墙组成空间薄壁简体，即为实腹筒；框架通过减小肢距，形成空间密柱框筒，即框筒；筒壁若用空间桁架组成，则形成桁筒。实际结构中除烟囱等构筑物外不可能存在单筒结构，而常常以框架一简体结构、筒中筒结构、多简体结构和成束筒结构形式出现。

二、高层建筑结构设计的要点１．适当的选用计算简图。结构计算式在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当则会导致结构安全的事故常常发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要

条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。

２．选择合适的基础方案。基础设计应根据工程地质条件，上部结构类型与载荷分布，相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析，选择经济合理的基础方案，设计时宜最大限度地发挥地基的潜力，必要时应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告。

对一些缺少地质报告的建筑应进行现场查看和参考临近建筑资料。通常情况下，同一结构单元不宜用两种不同的类型。

３．合理选择结构方案。一个合理的设计必须选择一个经济合理的结构方案，也就是要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷。同一结构单元不宜混用不同结构体系，地震区应力求平面和竖向规则。总而言之，必须对工程的设计要求、材料供应、地理环境、施工条件等情况进行综合分析，并与建筑、电、水、暖等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时应进行多方案比较，择优选用。

４．正确分析计算结果。在结构设计中普遍采用计算机技术，但是由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、条件等进行全面了解。在计算机辅助设计时，由于结构实际情况与程序不相符合，或人工输入有误，或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，因而要求结构工程师在拿到

电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。

５．采取相应的构造措施。结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压若拉原则”，注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的执行段锚固长度；考虑温度应力的影响力。

三、楼梯设计《建筑抗震设计规范》（２００８版）第３．６．６条明确提出“计算中应考虑楼梯构件的影响”。在以往的设计中，设计人员受计算手段的限制。

通常在电算模型中仅考虑楼梯荷载，未考虑楼梯与主体结构的共同作用，只对与楼梯平台相连的框架柱按照短柱构造处理。汶川地震的震害调查表明，在震区有相当数量的楼梯梯板发生了断裂，楼梯对主体结构的影响特别是对抗侧刚度较小的框架结构的影响不容忽略。通过采用ＥＴＡＢＳ精确模型、ＳＡＴＷＥ梯板斜粱模型的计算比较，表明楼梯板的斜撑作用等原因，楼梯对结构刚度有一定贡献，对框架结构比对框剪或剪力墙结构影响更显著。楼梯平面布置上的不对称，会造成结构平面刚度分布的不均匀，扭转效应增大，设计时应予以考虑。楼梯梯板在地震力作用下，反复出现拉弯、压弯状态，板面宜设置通常筋。对与梯板相连的平台梁、平台板构件也应加强构造措施。与楼梯平台相连的框架柱在水平地震力的作用下最大弯矩出现在平台梁附近，框架柱配筋应作相应调整并加强梁柱节点构造措施。

四、关于现浇梁板共同作用的问题现浇梁应考虑翼缘板的作用以为业内所共识，在实际工程设计中。

电算仅通过增加梁刚度的方法来实现，规范也有相关规定，但对于框架梁翼缘板内与梁肋平行的上下层钢筋共同参与梁端截面抗弯承载力的作用问题，国家相关规范均为有作出过明确的说明与规定。设计时常常将按实际刚度计算所得的梁端负弯矩钢筋均配置在梁肋内，__________而翼缘板钢筋则按现浇板受力要求配置。这就无形中增加了梁端负弯矩钢筋的配筋量，导致框架梁的负屈服弯矩承载力的相应提高，极易形成“强梁弱柱”。

为实现“强柱弱粱”的设计目的，保证在罕遇地震时能首先在梁端附近出现塑性铰，形成具有延性功能的结构体系，则应将按设计荷载、地震作用计算所需的梁端负弯矩钢筋合理地分布在梁肋及其有效的翼缘宽度范围内；或者将计算所需的梁端负弯矩钢筋减去有效翼缘宽度范围内的板内上下层钢筋面积，然后将剩余的负弯矩钢筋配置在梁肋的宽度范围内。至于多少范围内的板内钢筋可以被考虑为共同参与梁支座截面的抗弯工作这一问题，参考有关资料，笔者认为近似取５～６倍的板厚度（中梁）、２．５～３倍的板厚度（边梁）。

五、结语综上所述，随着城市化发展以及建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多。高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性。

还应保证结构的经济性、合理性。高层建筑将是建筑的主要趋势，我们建筑工作者有必要也有责任掌握更多的高层建筑的设计知识。由于目前我国高层建筑的发展迅速，导致机构设计中经常遇到各种问题，因而需要我们设计人员能够积累经验，利用正确的概念进行设计。