论文部分内容阅读
摘要：随着经济的快速发展，高层建筑的结构体系与功能愈加多样化，而高层建筑的结构选型与布置是高层建筑设计的不可或缺的环节，关系着高层建筑的经济性与安全性。本文以某高层建筑工程结构设计实例为着眼点，运用计算机程序进行计算方式，通过对高层建筑两种结构选型与布置方案的对比分析及其对建筑物结构的结构侧移、自震周期以及结构变形等的影响，研究在高层建筑竖向结构选型与布置中应注意的问题。
关键词：高层建筑；竖向结构；选型；布置
Abstract: with the rapid development of economy, high-rise building structure system and function more diverse, and the selection and arrangement of structure in high-rise buildings is an integral part of the design of high-rise building, the relationship between the economy and safety of high-rise buildings. In this paper, the structural design of an engineering example of high-rise building as the starting point, is calculated using computer program, move, from the earthquake cycle and structural deformation, through comparative analysis of tall building structure of the two selection and layout and structure of buildings and structures of side effect, we should pay attention to in the vertical structure selection and layout of high-rise buildings in question.
Key words: high-rise building; vertical structure; selection; layout.
中图分类号：TU3 文献标识码：A
近年來，随着地震发生的频率增加，高层建筑的结构性能也面临着新的要求与挑战。高层建筑结构选型与布置是其结构抗震设计中的重要一环，对于建筑物的结构性能，及其实用性具有重要影响。特别是高层建筑竖向结构的选型与布置，对建筑工程的投资造价、立面形体等具有直接的影响，加强对高层建筑竖向结构选型与布置原则与注意事项的探讨意义重大。
一、工程结构概况
某高层建筑层数为20层，每层的高度为3.8m，总共76m，其地震分组设计为第一组，且其防烈度设计为7度。高层建筑上、下十层的柱子截面尺寸分别为：750mm×750mm与950mm×950mm
主梁与次梁分别为：250mm×750mm与250mm×550mm。楼板厚度为120mm，楼梯间与楼面的可变荷载分别为：3.5kN/m2与2.5 kN/m2。同时，在该高层建筑建设中，板、梁以及柱、墙分别运用C30、C40 混凝土。此外，在结构设计方案中，主要选择方案一：框架-剪力墙结构（如图一（a）所示）与方案二：框架结构（如图一（b）所示）两种结构方案进行比较分析，其中方案一中的墙的厚度为250mm。
图一（a）框架-剪力墙结构图一（b）框架结构
二、不同结构选型与布置方案的对比分析
（一）自震周期分析
通过运用计算机程序计算，该高层建筑结构的自震周期可见表一，其中以平动振动为主体的结构的第一周期设为T1，而扭转振动结构的周期中第一自振周期设为Tt，并用带有*的周期表示。
方案选择 T1/（s） T2/（s） T3/（s） T4/（s） T5/（s） Tt/ T1
方案一 1.2864 1.7870 1.1785* 0.5048 0.5677 0.643
方案二 3.2346 3.5404 2.7895* 1.2552 1.2256 0.821
表一高层建筑不同结构体系自振周期
由表一可知，高层建筑的结构选型直接影响着建筑结构的自振周期。方案一中的框架-剪力墙结构中，剪力墙相对集中地沿周边均匀地布置，产生的扭转效应较小。同时，框架-剪力墙结构相对较刚，结构的自振周期比较小。而方案二中的框架结构相对较柔，且其在布置时是沿周边相对分散地布置，自振周期则比较大。
（二）角柱内力与轴压比分析
经过计算，该高层建筑结构角柱内力及其轴压比可见表二。
方案选择 X向最大剪力（KN） X向最大弯矩（KN.m） Y向最大剪力（KN） Y向最大弯矩（KN.m） 最大轴力（KN） 轴压比
方案一 85.0 252.4 80.1 276.1 843.63 0.44
方案二 47.1 204.3 43.2 223.2 11047.6 0.56
表二高层建筑不同结构体系的角柱内力与轴压比
由表二中可知，该高层建筑高层建筑的结构选型与布置对建筑结构的角柱轴力产生了重要的影响。在方案一中的框架-剪力墙结构中，角柱的最大轴力为843.6，而选用方案二中的框架结构时，建筑结构的角柱内力明显增大，最大内力达到11047.6，可见选用不同结构体系，对于建筑角柱内力与轴压比也具有不同的影响。
（三）剪重比分析
通过运用计算机程序计算，该高层建筑结构的剪重比如图二所示。
图二高层建筑不同结构体系的剪重比
由图二可以看出，相较于框架-剪力墙结构而言，框架结构中，高层建筑底部几层的剪重比相对较小，且不满足规程规定的1.6%的剪重比的要求，可见，相对于地震水平剪力而言，该框架结构的刚度较小。
此外，通过对选用两种不同结构体系的高层建筑的层间的弹性位移角与水平绝对位移、层刚度比的计算与分析，发现选择方案一中的框架-剪力墙结构的高层建筑，剪力墙相对集中地沿周边布置，利于改善高层建筑物的结构受力性能，使建筑物结构侧移减少，从而使建筑物结构抗侧刚度相对较强，层间的弹性位移角以及水平绝对侧移较小，其结构变形呈现出弯剪型特征，而对于选择方案二中的框架结构的高层建筑而言，其抗侧刚度相对较弱，水平绝对侧移较大，层间的弹性位移角变化较大，建筑的结构变形呈现出剪切型特征。对于层刚度比而言，高层建筑物的结构层刚度比受其结构选型与布置的影响较小，但相比较两种方案，方案一框架-剪力墙结构中的层刚度比相对较大，这也表明了剪力墙均匀布置于周边更能够满足层刚度比的要求。
综上可见，该高层建筑虽仅有20层，但由于层高相对较高，如果在结构选型中选用方案二中的框架结构，那么就会出现较长的自振周期，角柱轴力相对较大，层间相对位移与水平绝对位移较大，其结构本身的侧移刚度以及建筑底部剪重比都与规程JGJ3-2010要求不符。因此，对于此高层建筑而言，其竖向结构可选择框架-剪力墙结构，也就是剪力墙相对集中地沿周边布置。这主要是由于在高层建筑选型与布置的设计中，建筑物的高度是设计时的重要的影响因素，不同结构体系的高层建筑适应的高度也不尽相同。通常而言，剪力墙结构或者框架-剪力墙结构具有加强的适用性，可满足绝大部分高层建筑物的高度需求，而对于框架结构而言，则在建筑物的层数较少，建筑物高度相对较低等情况。同时，在建筑物材料用量相同的情况下，相较于框架结构而言，采用框架剪力墙结构或者是剪力墙结构，建筑物的抗侧刚度更强。此外，若剪力墙相对集中地沿周边布置，有助于增强建筑物结构的自振周期，使地震吸收的能量减少，从而使建筑物结构侧移减小，实现建筑物受力、承重结构的改善，同时还能够使结构的剪重比与层刚度比更容易与规范要求相适应。因此，在建筑物材料用量相同，考虑建筑物高度因素的前提下，高层建筑物的竖向结构可选择剪力墙结构或则框架-剪力墙结构，并使剪力墙相对集中地沿周边布置。
三、高层建筑竖向结构选型与布置的注意事项
高层建筑在其竖向结构布置与选型中，除要考虑高度因素之外，建筑物的用途与功能也是需要重点考虑的因素。当前，就高层建筑的用途而言，商业、办公、医院以及教育等公共性建筑与旅馆、住宅是其三大主体类型。通常而言，公共性建筑在结构选型中，对于高度较低（＜50m）的公共性高层建筑，宜选用框架-剪力墙结构，而对于高度相对较高（＞50m）的公共性高层建筑，为满足其空间灵活划分、大面积的需求，可选用筒体结构。而对于低于50m的旅馆而言，剪力墙结构与框架-剪力墙结构分别适用于客房层以及底层的灵活布置，因此可根据实际需求，灵活选择布置。而对于高于50m的旅馆，宜采用筒体结构。对于住宅建筑而言，由于其本身所需的墙体较多，选用剪力墙结构，不仅可减少用钢量，同时还可使非承重隔墙以及墙体材料减少。
高层建筑结构选型与布置在满足建筑物的用途与功能的基础上，应选取较为有利的竖向结构布置，并确保竖向结构的刚度与强度没有突然变化，要连续且均匀。特别是在地震频发地区，选用竖向结构布置时，要选择刚度均匀的结构，避免由于结构刚度过大导致结构突变的情况发生，进而使高层建筑物遭受严重的震害。这就要求高层建筑物竖向结构选型与布置时，竖向结构体型不应有太大的内收或者外挑的情况，须保持均匀、规则，并设置躲到抗震防线。同时，不宜采用严重不规则的结构布置，结构选型时，应确保其侧向刚度变化均匀、上下下大，且采用抗震设计的高层建筑的楼层侧向刚度应≥70%的上部鄰近楼层侧向刚度。此外，结构选型必须要具有足够的刚度与承载、变形能力，避免连续倒塌以及由于因部分构件、结构破坏使整个建筑物风荷载、重力荷载的承受能力以及承受地震作用能力丧失，结构布置还要避免因扭转效应或局部突变形成薄弱的部位。
综上所述，高层建筑竖向结构的选型与布置时，要综合考虑建筑物的功能与高度以及结构的抗侧移刚度、结构位移以及轴向变形等多种因素，在进行合理的结构选型的基础上，进行合理布置，改善结构的受力性能，增强建筑物结构的经济性与安全性。
参考文献：
[1] 张博.高层建筑梁式转换层结构设计原理及其应用[D].湖南大学,2011.
[2] 于洪.浅议高层建筑框架一核心筒结构设计分析[J].城市建设理论研究（电子版）,2013,(11).
[3] 吴宏磊.上海中心超高层建筑结构体系的受力性态研究与工程实践[D].同济大学,2010.
[4] 王永华,南莉珍,王辉等.高层建筑方案期间结构设计师思考与落实要点[J].建筑技术开发,2012,39(11):15-16,34.
[5] 周俊才.浅议高层建筑框架一核心筒结构设计分析[J].城市建设理论研究（电子版）,2012,(19).
[6] 林晓伟.浅谈高层建筑框架核心筒结构设计[J].中国新技术新产品,2011,(24):209-209.
关键词：高层建筑；竖向结构；选型；布置
Abstract: with the rapid development of economy, high-rise building structure system and function more diverse, and the selection and arrangement of structure in high-rise buildings is an integral part of the design of high-rise building, the relationship between the economy and safety of high-rise buildings. In this paper, the structural design of an engineering example of high-rise building as the starting point, is calculated using computer program, move, from the earthquake cycle and structural deformation, through comparative analysis of tall building structure of the two selection and layout and structure of buildings and structures of side effect, we should pay attention to in the vertical structure selection and layout of high-rise buildings in question.
Key words: high-rise building; vertical structure; selection; layout.
中图分类号：TU3 文献标识码：A
近年來，随着地震发生的频率增加，高层建筑的结构性能也面临着新的要求与挑战。高层建筑结构选型与布置是其结构抗震设计中的重要一环，对于建筑物的结构性能，及其实用性具有重要影响。特别是高层建筑竖向结构的选型与布置，对建筑工程的投资造价、立面形体等具有直接的影响，加强对高层建筑竖向结构选型与布置原则与注意事项的探讨意义重大。
一、工程结构概况
某高层建筑层数为20层，每层的高度为3.8m，总共76m，其地震分组设计为第一组，且其防烈度设计为7度。高层建筑上、下十层的柱子截面尺寸分别为：750mm×750mm与950mm×950mm
主梁与次梁分别为：250mm×750mm与250mm×550mm。楼板厚度为120mm，楼梯间与楼面的可变荷载分别为：3.5kN/m2与2.5 kN/m2。同时，在该高层建筑建设中，板、梁以及柱、墙分别运用C30、C40 混凝土。此外，在结构设计方案中，主要选择方案一：框架-剪力墙结构（如图一（a）所示）与方案二：框架结构（如图一（b）所示）两种结构方案进行比较分析，其中方案一中的墙的厚度为250mm。
图一（a）框架-剪力墙结构图一（b）框架结构
二、不同结构选型与布置方案的对比分析
（一）自震周期分析
通过运用计算机程序计算，该高层建筑结构的自震周期可见表一，其中以平动振动为主体的结构的第一周期设为T1，而扭转振动结构的周期中第一自振周期设为Tt，并用带有*的周期表示。
方案选择 T1/（s） T2/（s） T3/（s） T4/（s） T5/（s） Tt/ T1
方案一 1.2864 1.7870 1.1785* 0.5048 0.5677 0.643
方案二 3.2346 3.5404 2.7895* 1.2552 1.2256 0.821
表一高层建筑不同结构体系自振周期
由表一可知，高层建筑的结构选型直接影响着建筑结构的自振周期。方案一中的框架-剪力墙结构中，剪力墙相对集中地沿周边均匀地布置，产生的扭转效应较小。同时，框架-剪力墙结构相对较刚，结构的自振周期比较小。而方案二中的框架结构相对较柔，且其在布置时是沿周边相对分散地布置，自振周期则比较大。
（二）角柱内力与轴压比分析
经过计算，该高层建筑结构角柱内力及其轴压比可见表二。
方案选择 X向最大剪力（KN） X向最大弯矩（KN.m） Y向最大剪力（KN） Y向最大弯矩（KN.m） 最大轴力（KN） 轴压比
方案一 85.0 252.4 80.1 276.1 843.63 0.44
方案二 47.1 204.3 43.2 223.2 11047.6 0.56
表二高层建筑不同结构体系的角柱内力与轴压比
由表二中可知，该高层建筑高层建筑的结构选型与布置对建筑结构的角柱轴力产生了重要的影响。在方案一中的框架-剪力墙结构中，角柱的最大轴力为843.6，而选用方案二中的框架结构时，建筑结构的角柱内力明显增大，最大内力达到11047.6，可见选用不同结构体系，对于建筑角柱内力与轴压比也具有不同的影响。
（三）剪重比分析
通过运用计算机程序计算，该高层建筑结构的剪重比如图二所示。
图二高层建筑不同结构体系的剪重比
由图二可以看出，相较于框架-剪力墙结构而言，框架结构中，高层建筑底部几层的剪重比相对较小，且不满足规程规定的1.6%的剪重比的要求，可见，相对于地震水平剪力而言，该框架结构的刚度较小。
此外，通过对选用两种不同结构体系的高层建筑的层间的弹性位移角与水平绝对位移、层刚度比的计算与分析，发现选择方案一中的框架-剪力墙结构的高层建筑，剪力墙相对集中地沿周边布置，利于改善高层建筑物的结构受力性能，使建筑物结构侧移减少，从而使建筑物结构抗侧刚度相对较强，层间的弹性位移角以及水平绝对侧移较小，其结构变形呈现出弯剪型特征，而对于选择方案二中的框架结构的高层建筑而言，其抗侧刚度相对较弱，水平绝对侧移较大，层间的弹性位移角变化较大，建筑的结构变形呈现出剪切型特征。对于层刚度比而言，高层建筑物的结构层刚度比受其结构选型与布置的影响较小，但相比较两种方案，方案一框架-剪力墙结构中的层刚度比相对较大，这也表明了剪力墙均匀布置于周边更能够满足层刚度比的要求。
综上可见，该高层建筑虽仅有20层，但由于层高相对较高，如果在结构选型中选用方案二中的框架结构，那么就会出现较长的自振周期，角柱轴力相对较大，层间相对位移与水平绝对位移较大，其结构本身的侧移刚度以及建筑底部剪重比都与规程JGJ3-2010要求不符。因此，对于此高层建筑而言，其竖向结构可选择框架-剪力墙结构，也就是剪力墙相对集中地沿周边布置。这主要是由于在高层建筑选型与布置的设计中，建筑物的高度是设计时的重要的影响因素，不同结构体系的高层建筑适应的高度也不尽相同。通常而言，剪力墙结构或者框架-剪力墙结构具有加强的适用性，可满足绝大部分高层建筑物的高度需求，而对于框架结构而言，则在建筑物的层数较少，建筑物高度相对较低等情况。同时，在建筑物材料用量相同的情况下，相较于框架结构而言，采用框架剪力墙结构或者是剪力墙结构，建筑物的抗侧刚度更强。此外，若剪力墙相对集中地沿周边布置，有助于增强建筑物结构的自振周期，使地震吸收的能量减少，从而使建筑物结构侧移减小，实现建筑物受力、承重结构的改善，同时还能够使结构的剪重比与层刚度比更容易与规范要求相适应。因此，在建筑物材料用量相同，考虑建筑物高度因素的前提下，高层建筑物的竖向结构可选择剪力墙结构或则框架-剪力墙结构，并使剪力墙相对集中地沿周边布置。
三、高层建筑竖向结构选型与布置的注意事项
高层建筑在其竖向结构布置与选型中，除要考虑高度因素之外，建筑物的用途与功能也是需要重点考虑的因素。当前，就高层建筑的用途而言，商业、办公、医院以及教育等公共性建筑与旅馆、住宅是其三大主体类型。通常而言，公共性建筑在结构选型中，对于高度较低（＜50m）的公共性高层建筑，宜选用框架-剪力墙结构，而对于高度相对较高（＞50m）的公共性高层建筑，为满足其空间灵活划分、大面积的需求，可选用筒体结构。而对于低于50m的旅馆而言，剪力墙结构与框架-剪力墙结构分别适用于客房层以及底层的灵活布置，因此可根据实际需求，灵活选择布置。而对于高于50m的旅馆，宜采用筒体结构。对于住宅建筑而言，由于其本身所需的墙体较多，选用剪力墙结构，不仅可减少用钢量，同时还可使非承重隔墙以及墙体材料减少。
高层建筑结构选型与布置在满足建筑物的用途与功能的基础上，应选取较为有利的竖向结构布置，并确保竖向结构的刚度与强度没有突然变化，要连续且均匀。特别是在地震频发地区，选用竖向结构布置时，要选择刚度均匀的结构，避免由于结构刚度过大导致结构突变的情况发生，进而使高层建筑物遭受严重的震害。这就要求高层建筑物竖向结构选型与布置时，竖向结构体型不应有太大的内收或者外挑的情况，须保持均匀、规则，并设置躲到抗震防线。同时，不宜采用严重不规则的结构布置，结构选型时，应确保其侧向刚度变化均匀、上下下大，且采用抗震设计的高层建筑的楼层侧向刚度应≥70%的上部鄰近楼层侧向刚度。此外，结构选型必须要具有足够的刚度与承载、变形能力，避免连续倒塌以及由于因部分构件、结构破坏使整个建筑物风荷载、重力荷载的承受能力以及承受地震作用能力丧失，结构布置还要避免因扭转效应或局部突变形成薄弱的部位。
综上所述，高层建筑竖向结构的选型与布置时，要综合考虑建筑物的功能与高度以及结构的抗侧移刚度、结构位移以及轴向变形等多种因素，在进行合理的结构选型的基础上，进行合理布置，改善结构的受力性能，增强建筑物结构的经济性与安全性。
参考文献：
[1] 张博.高层建筑梁式转换层结构设计原理及其应用[D].湖南大学,2011.
[2] 于洪.浅议高层建筑框架一核心筒结构设计分析[J].城市建设理论研究（电子版）,2013,(11).
[3] 吴宏磊.上海中心超高层建筑结构体系的受力性态研究与工程实践[D].同济大学,2010.
[4] 王永华,南莉珍,王辉等.高层建筑方案期间结构设计师思考与落实要点[J].建筑技术开发,2012,39(11):15-16,34.
[5] 周俊才.浅议高层建筑框架一核心筒结构设计分析[J].城市建设理论研究（电子版）,2012,(19).
[6] 林晓伟.浅谈高层建筑框架核心筒结构设计[J].中国新技术新产品,2011,(24):209-209.