高层建筑结构概念设计若干问题(张元坤).pdf

““年第期广东土木与建筑 高层建筑的结构设计， 尤其是其中的抗震 设计， 从设计完成直到建筑物建成， 设计者对 其结构安全度和设计合理性要做到心中有数， 不仅要重视结构的定量计算分析， 而且更要注 重结构的概念设计， 也即结构的宏观控制和定 性判断。这方面的内容在许多著作文献中都有 论述， 在此不拟赘述。本文根据建筑结构的设 计原则， 结合笔者多年的设计经验， 就高层建 筑结构概念设计相关问题作一简要叙述， 希望 对设计同行的工作有所裨益。 楼层平面刚度 高层建筑结构的整体计算通常都是使用 电算程序进行， 而当前常用的程序除极个别考 虑楼层平面内可以变形（ 即弹性楼板） 外， 大部 分都将楼层假设为刚性楼面（ 即楼板平面内刚 度无限大） 。笔者认为这种假设不仅是对复杂 结构计算进行必要简化的需要， 而且当建筑布 局及结构布置基本上符合刚性楼板的假设时， 其计算结果（ 结构的变形及构件内力） 则基本 上能反映结构的真实受力情况， 按此设计出来 的结构其安全是有保障的， 所体现的安全度也 是合适的。相反， 如果建筑设计缺乏基本的结 构观念或结构布置缺乏必要措施而采用楼板 变形的计算程序（ 明知楼板有变形而采用刚性 楼板假设的程序进行计算因属离谱故不在议 论之列） ，尽管程序的编程在数学力学模型上 是成立的甚至是准确无误的， 但在确定楼板变 形程度上却很难做到准确。作为计算的大前提 都无法“ 准确” ， 就不可能指望其结果会“ 正确” 了， 据此进行的结构设计肯定存在着结构不安 全成分或者结构某些部位或构件安全储备过 大等现象。 因此， 为了使程序的计算结果基本上反映 结构的真实受力状况而不致出现根本性的误 差，设计时应尽可能将楼层设计成刚性楼面。 要做到这一点， 首先应在建筑设计甚至方案阶 段就避免采用楼面有变形的平面（ 比如楼层大 开洞、 外伸翼块太长、 块体之间成“ 缩颈” 连接、 凹槽缺口太深等） ；其次要从结构布置和配筋 构造上给予保证，对于使用功能确实必需的， 或者建筑效果十分优越的建筑设计， 如果其平 面无法完全符合刚性楼板的假定， 那么在结构 设计时可以通过增设连系梁（ 板） 、 洞口边加设 暗梁边梁、 提高连系梁（ 板） 或暗梁边梁的配筋 量、采用斜向配筋或双层配筋形式等方法， 尽 量满足刚性楼板的基本假设， 或者弥补由于不 是绝对的刚性楼板假定而产生的计算“ 误差” 。 总之， 在建筑及结构设计上应有意识地考虑刚 性楼板， 再用这种假设的程序进行计算， 这样 计算结果会较可信， 设计出的结构的安全度也 更有保障。 位移限值 在结构整体计算的输出结果中， 结构的侧 移（ 包括层间位移和顶点位移） 是一个重要的 衡量标准， 其数值大小从一个侧面反映出结构 的整体刚度是否合适， 过大或过小都说明结构 刚度过小或过大（ 或者体现结构两个主轴方向 的刚度是否均衡） ，以致要引起设计者对其中 的结构体系选择、 结构的竖向及平面布置合理 性的再思考。现行规范中将顶点位移与层间位 高层建筑结构概念设计若干问题 张元坤 （ 广东省建筑设计研究院广州““） 张元坤 高层建筑结构概念设计若干问题““年第期 移并重对待，经实践探索并参照国外经验， 得 出的结论为高层建筑尤其是超高层建筑， 顶 点位移限值决定的不仅是其数值大小而且还 有其振动频率， 人的舒适感觉与振动频率有关 而与振动幅度（ 绝对位移） 关系不大， 即摆动频 率不太高时就可满足人们的舒适度；其次， 防 止结构由于变形过大而可能遭受损坏或破坏 的控制因素是层间相对位移， 而其限值在现行 规范中似偏严， 可予放松。同一结构用不同的 计算程序计算，如果其层间位移数值差异很 大， 则有可能是其“ 层间位移” 内涵不同所致， 有的是指楼层形心位移， 有的则专指考虑楼层 转动后的最大角点位移，后者通常比前者要 大， 形心位移对规则建筑有意义， 而角点位移 则更能反映结构楼层的真实位移， 因此角点位 移是结构工程师必须关注的一个数值。 剪重比及单位面积重度 结构的剪重比 （ 也即水平地震剪力系数） ““是体现结构在地震作用下反应大小的 一个指标， 其大小主要与结构地震设防烈度有 关， 其次与结构体型有关， 当设防烈度为、、 度时， 剪重比分别为’’*，’’*，’’’； 扭转 效应明显或基本周期,-./的结构剪重比则分 别’’0，’’-*，’’0。 单位面积重度’“ （12 3*） 是衡量结构 构件截面取值是否合理和楼层荷载数据输入 是否正确的一个重要指标。式中的“由以下几 部分， 即结构构件自重、 楼面建筑面层及天棚 抹灰（ 或吊顶） 重、 填充墙（ 包括抹面层） 重和楼 面使用荷载组成；则一般以地面以上的建筑 面积总和计算， 以便有一个相对准确的比较标 准。定性地分析比较’值的大小， 可得出以下 结果， 即一般内部隔墙多的建筑（ 比如住宅） 大 于间隔墙少的建筑（ 比如敝开式办公室） ； 层数多 的建筑略大于层数少的同性质建筑； 设防烈度 高的建筑大于设防烈度低的同性质同规模建 筑； 剪力墙多的建筑大于剪力墙少甚至仅为框 架的建筑。一般高层建筑的单位面积重度在 ’412 3*之间， 除个别较特别的以外， 多数 在.12 3*左右。 以上两个指标不仅在施工图设计阶段， 而 且在初步设计阶段都是非常重要的数据， 其数 值正常与否从另一个侧面反映出结构体系的 选择是否合适， 结构布置（ 包括构件截面确定） 是否合理， 电算数据输入是否正确， 以及最后 决定电算结果是否可信可用等， 因此结构设计 者对这两个指标切不可掉以轻心， 更不可认为 是无关紧要的。 柱网尺寸 任何类型的建筑物或结构类型都存在着 柱网尺寸的问题， 它首先取决于建筑物的使用 功能，而且往往由于各楼层楼段使用功能不 同，会产生同一建筑物上下不同柱网的情况。 从结构整体受力的合理性考虑， 要求同一结构 单元的柱网疏密有序即大小不可太悬殊； 从基 础型式方面考虑， 采用天然地基（ 包括人工复 合地基） 时宜小不宜大， 而采用桩基础时则宜 大不宜小； 从楼层结构经济性综合效果（ 包括 有效面积的利用、 层高、 楼层梁截面高度等） 考 虑，因框架梁截面高度可取（ *4 ）， 故宜采用较大柱网（43） 而不宜采用中柱网 （03左右） 或小柱网（3左右） ； 当结构中布置 剪力墙尤其是筒体时， 柱与剪力墙的距离宜大 不宜小。 基础埋深 为了保证高层建筑的整体稳定性， 减轻地 震作用对结构的损坏和破坏， 规范中对高层建 筑的基础埋深有一定的要求（ 天然地基为’ .， 桩基础为’ *’） 。从规范条文来看，基础埋深 似仅与基础型式及结构总高度有关， 其实从更 深一层考虑， 它还与高宽比、 裙房底座宽度、 地 下室底盘宽度等有关。在总高度及基础型式相 ““年第期广东土木与建筑 同条件下，基础埋深对高宽比较大者应抓紧， 相反则可放宽； 对地下室面积仅是塔楼投影面 积者应抓紧， 相反有裙房且地下室面积远大于 塔楼投影面积者则可放宽。只有从本质上理解 高层建筑基础埋深的涵义， 才能在实际工程设 计中既灵活运用， 又不违反其原则精神。 结构转换层位置 首先必须肯定的是， 低位转换的结构要比 高层转换的安全， 这已为理论分析、 结构试验 和定量计算所证明， 因此我们在思想上要抛弃 “ 高位转换与低位转换差不多” 的观念， 同时在 结构设计包括建筑设计时尽量避免出现高位 转换层的结构。在房地产经营市场上， 受经济 利益的驱使，高位转换层的建筑仍不时出现， 如何正确看待和处理这类高层建筑乃是结构 设计人员面临的难题。规范对带转换层高层建 筑的结构设计有许多规定， 其中最重要的是转 换层上下层的剪切刚度比限值和转换层下部 与上部的等效刚度相等这两条。笔者认为， 对 于高位转换层结构， 转换层上下部的等效刚度 相等是必须满足的， 其次还应通过调整落地剪 力墙厚度、 增设底部周边剪力墙等方法， 使其 剪切刚度比而不是仅满足““的要求。然 而为达到此目的而采取加大转换层以下框支 柱截面的做法却是蹩脚的， 因它对增强转换层 下层的剪切刚度效果极不显著， 还会造成结构 不经济及使用不便的后果， 实不可取。 框架梁截面取值 随着人们对高层建筑框架梁垂直挠度研 究的深入，加上高层建筑对层高的严格限制， 我们发现以往规定的框架梁截面高度（ “）“的取值过于严厉和保守，而将出台的新 规范则规定框架梁的截面高度可以按（ “ ）“取值，这是对传统习惯做法的一种修 正， 有利于降低建筑层高， 在保持总高度不变 的情况下多建几层， 以收到增大建筑面积的效 果或者在层高不变情况下争取更大的净高， 对 提高建筑物的经济效益和扩大室内使用空间 都带来极大的好处。对于框架梁截面宽度， 由 于高层建筑承受的水平荷载较大， 不仅梁端有 正负弯矩之分，而且梁端剪力也急剧增大， 为 了符合并实现“ 强剪弱弯” 的抗震原则， 框架梁 截面宽度不宜太小。在不碍观瞻的前提下宜取 ’’，以便配置四肢箍筋和尽量避免布置 双排主筋。至于截面高宽比， 通常取 ’* 而非传统习惯的“，国内大城市于三四十年 代兴建的以及国外的现代钢筋混凝土结构框架 梁常采用方形截面自有它合理之一面。 井字梁楼盖的梁高 井字楼盖对于大跨度大空间楼面是一种 很好的结构形式，它犹如一块掏空的双向板， 受力性能极好。其梁截面高度取值往往受控于 刚度（ 挠度） 而非强度， 影响因素不只是井字楼 盖的短向跨度和计算荷载， 还有周边支承梁的 抗扭刚度， 后者不仅切实地影响井字梁的跨中 挠度，而且还决定了井字梁边界条件的确定。 若设计中有意识地增加周边支承梁的截面宽 度（ 更有利的条件是井字楼盖外侧仍有楼盖） ， 那么井字楼盖的梁高可取（ “’ “*）“甚 至更小。有些设计将梁高取得过大， 其中一个 原因就是没有考虑实际挠度与计算中弹性位 移之间的差异， 错将两值视为相等。 井字楼盖按区格布置双向梁， 由于它在受 力和变形上如同双向板， 因此同一方向的梁因 处于中部或旁边位置其内力及变形都不相同。 尤其是井字梁本身的受扭， 虽一般在计算中可 忽略，但并不意味着它很微小甚至不存在， 因 此为了使受扭计算的省略具有说服力， 应从井 字梁的布置上给予呼应，即梁距不宜太大， 当 板厚控制在’’时， 梁距以左右为宜且 最好在以下。 * 张元坤 高层建筑结构概念设计若干问题““年第期 楼盖混凝土强度等级 现代高层建筑的施工， 凡有混凝土结构的 几乎都采用商品混凝土泵送施工工艺， 但为了 保证高空泵送流畅， 对混凝土的流动性就有一 定的要求。若其强度过低， 则会因水泥含量不 高而影响流动性， 故施工工艺要求采用泵送的 混凝土等级最低应为“；但过高的强度对以 受弯为主的梁板结构又是不适宜的， 除对其抗 弯强度的提高影响甚微且会造成不经济外， 还 对构件的抗裂不利， 尤其是诸如转换层大体积 构件还存在水化热的问题。因此， 除采用无粘 法预应力混凝土结构的梁板构件要采用不低 于的混凝土外， 通常情况下楼盖混凝土以 选择、“两个等级较为合适。 至于与竖向 构件混凝土等级的搭配协调问题， 虽然现行规 范规定柱梁混凝土等级相差’以上时节点 处的混凝土要按柱构件等级浇灌， 但理论研究 及构件试验得出的结论是 由于节点区受钢筋 的约束作用， 使混凝土实际强度要比浇灌等级 高得多， 一般情况下楼盖（ 包括节点区） 混凝土 采用竖向构件的*是可以且允许的， 如柱构 件混凝土为、， 则楼盖可用、“， 更 低的话就必须对节点的抗剪能力进行验算， 满 足要求则可用， 否则节点区的混凝土就应采用 柱构件的等级了。 “连梁截面尺寸 高层建筑结构中的“ 连梁” 通常泛指剪力 墙之间的连系梁，是一种结构构件的统称， 属 于此范畴的就有单片单肢及多肢剪力墙、 短肢 剪力墙和围成闭合筒体的剪力墙等。剪力墙又 可按以下结构体系划分为不同类型， 如框架 剪力墙、 纯剪力墙、 筒体框架、 筒中筒等， 由此 派生出各种各样的剪力墙连梁。从受力角度 看， “ 连梁” 所起的作用及其受力性能不同于一 般概念上的楼面梁，后者主要承受竖向荷载， 是典型的受弯构件， 而前者则是将侧向刚度很 大的抗侧力构件连在一起的构件， 它在水平力 作用下将产生很大的弯矩及剪力， 是典型的弯 剪构件。对于连接单片剪力墙的连梁， 由于剪 力墙平面内的侧面刚度很大， 在水平荷载作用 下， 连梁中产生的弯矩及剪力随其截面高度的 增大而剧增， 往往使该截面无法承受， 为了使 剪力墙承担起大部分水平荷载， 避免连梁过早 失效而引起整体结构的破坏， 该连梁的截面高 度不宜太大且应尽量加大其净跨度。而对于闭 合剪力墙形成的筒体， 由于基本上为竖向悬臂 结构受力， 大部分甚至全部楼层墙肢都不出现 反弯点， 因此连梁与墙肢形成的洞口应成为小 开口整体墙， 此时的连梁截面高度要大但洞口 宽度不宜太大。 构件配筋率规律 高层建筑地面结构不管采用何种钢筋混 凝土结构体系， 其单位面积用钢量一般不会也 不应相差很大， 产生差异主要决定于层数（ 总 高） 、抗震设防烈度或抗风基本风压值。对于 “,“层、总高-.的中高和高层建筑， 其 单位面积用钢量通常在,*/0 .“范围内。 在 同等条件下（ 层数、 抗震设防烈度、 使用功能） ， 如果上述用钢量出现较大差异， 则可能是设计 人在对结构构件正常、 合理配筋率的掌握上出 现偏差所致， 换句话说是其技术水平， 尤其是 对高层建筑结构的概念设计掌握不好所致。诚 然， 结构的定量计算（ 通常以电算手段） 是必要 的， 但对构件配筋量不加分析判断或不辅以必 要的局部手算复核，完全按电算结果来配置， 这在许多情况下对于一些构件或某些部位的 构件来说并非是正确的。而调整电算结果中的 构件配筋量， 并非一味增大钢筋截面积， 有时 却需要减小配筋量， 这就要求设计者具有相当 的技术功底。以在整体结构中占最大份量的梁 柱构件来说， 当结构布置合理、 构件截面及混 凝土强度等级选择合适、 电算数据输入准确无 1 ““年第期广东土木与建筑 误时， 梁、 柱的配筋率一般分别为““ 和“’“， 过低当然不允许， 但过高也是不 正常和没有必要的。 楼板厚度取值 楼板厚度的取值首先取决于板跨及板上 的作用荷载， 对于高层建筑结构来说， 还有许 多其他方面的宏观控制意义， 比如筒体内及其 周边， 由于筒体是主要抗侧力构件， 加之筒内 开洞多， 其楼板厚度必须增厚； 又如结构的首 层、 屋面层、 转换层上下楼层等， 为了使整体结 构嵌固端成立， 竖向刚度不产生突变， 或者控 制层间相对位移等， 都需将上述部位的楼板加 厚； 即使板跨及作用荷载相同， 也由于有单双 向板和边界条件的区别， 对楼板厚度有时仍需 进行必要的增减； 对于一些特殊部位， 如设备 管线出口暗埋管线楼板处、 设备房的顶板考虑 吊杆固定因素等， 其楼板厚度都应予加厚。总 之， 高层建筑的楼板厚度取值不仅要考虑局部 微观因素，还要考虑整体结构受力的宏观因 素， 只有这样才能使楼板在承受楼面荷载和协 调结构整体变形方面起到应有的作用。 地下室楼盖形式 地下室尤其是多层地下室的楼层最适宜 采用无梁楼盖， 因属于板柱体系故其侧向刚度 很小， 但由于地下室外壁一般都有侧限以承担 抗侧力作用， 加上通常有上部结构的落地剪力 墙（ 或筒体） ， 使得其侧向刚度并不比上部结构 弱， 因此地下室楼层的框架结构部分采用板柱 体系在受力上是完全不成问题的。此外， 无梁 楼盖为降低层高、 缩短斜车道长度或减小车道 坡度、 方便地下室管线的架设都创造了有利条 件， 尤其是地下室总埋深的减小， 为深基坑支 护结构的设计和施工提供了较好的条件。总 之， 地下室楼层采用无梁楼盖， 不仅结构受力 合理、 施工方便、 空间效果好， 而且可降低结构 造价， 百利而无一弊， 值得提倡和应用。 如柱网尺寸不太大， 则无梁楼盖可采用等 厚平板加柱帽形式； 如柱网尺寸较大或楼面荷 载较大， 如人防地下室顶板或首层室外回填土 厚度较大， 则无梁楼盖可采用柱上板带加厚形 式， 不仅可解决板距过大的问题， 而且可解决 支承柱处的抗冲切问题， 在空间效果上仍然显 得开阔。 单桩承台尺寸 单柱单桩基础在高层建筑中应用很广， 尤 其是大直径人工挖孔桩基础， 事实上“ 单桩承 台” 不是真正意义上的承台， 它只是桩与柱的 连接节点， 其存在实际上是适应施工分阶段以 及柱插筋准确安放的需要， 因此其截面高度不 必太大， 仅满足柱主筋锚固长度即可； 其平面 尺寸也不必太大， 不必像多桩承台那样保证承 台边与桩边有一定距离，仅包住桩径即可， 对 于人工挖孔桩， 一般做法是取承台平面尺寸等 于桩径加两倍护圈厚度。至于柱根部的弯矩， 主要靠连接承台的基础梁来传递， 通常不是靠 承台来承担。设计上按上述做法不仅在结构受 力上不存在问题， 而且可节省混凝土用量从而 降低结构造价。 地下室外壁桩基 当建筑物采用桩基时， 其中的地下室侧壁 通常也采用桩基， 这对于控制建筑物各部位的 不均匀沉降是有成效的。然而， 多层地下室甚 至单层地下室的侧壁在桩基支承点之间均形 成“ 深梁” ， 其竖向平面刚度是非常大的， 而纯 粹作为地下室外壁的墙体， 即使承担一定面积 的楼层荷载，其承受的竖向荷载值也是有限 的， 因此外壁下布桩太密是不必要的， 否则会 造成极大的浪费。对于常规’*柱网的地下 室侧壁， 通常合理的做法是每隔一个柱网布置 桩位， 而不必每个柱网都布桩。当地下室外壁 张元坤 高层建筑结构概念设计若干问题““年第期 与主体结构墙柱相距较小时， 甚至可不单独布 桩， 只由主体结构的墙柱桩位设基础梁外挑支 承。当主体结构的桩基持力层为中风化或微风 化岩层时， 如中风化岩之上还存在强风化层的 话， 则外壁的桩基持力层完全可以选取强风化 层而不必像主体结构桩基那样支承于中风化 岩或微风化岩层， 有时当地下室侧壁已到达强 风化岩或花岗岩残积土层时， 甚至可以用天然 地基条形基础支承地下室外壁。事实上， 正由 于外壁的平面内刚度很大， 具有很强的调节不 均匀沉降的能力， 其基础选型更可以按上述原 则确定。 地下室柱的轴压比 框架柱的轴压比限值是对于抗震结构而 规定的。对于高层建筑地下室部位的框架柱， 建筑抗震设计规范规定， 除以首层为上部结构 的嵌固部位时其地下层的抗震等级与上部 结构相同外， 该层以下楼层的抗震等级可取三 级或非抗震。三级抗震结构的柱轴压比为“， 如采取其他配筋构造措施则可达“甚至“， 这就给结构设计者提供一个重要信息， 即地下 室柱的轴压比可放松， 在设计中当首层柱的轴 压比满足规范要求时， 则可将首层柱截面尺寸 不变地向下延伸而不必加大， 换言之， 在估算 柱截面尺寸时， 只需考虑上部结构的荷载而不 必另加地下室楼层的荷载。 箍筋都是梁中最大值， 让设计人员根据剪力包 络图配置箍筋不太现实。考虑到箍筋在钢筋用 量中占的比重不大， 可根据各种荷载作用下梁 剪力的分布情况作适当的简化处理， 具体建议 如下 框架主梁和一般主梁， 承受均布、 梯形、 三 角形、 集中荷载等以及风和地震作用产生的剪 力， 其中段剪力与端部剪力相差不大， 箍筋在 全跨范围内应一致， 既满足强度要求， 又满足 梁端加密区构造要求。 无集中荷载作用的框架梁 （ 预应力梁除 外） ， 承受均布、 梯形、 三角形荷载等以及地震 作用产生的剪力， 其中段的剪力虽相对比端部 的要小， 但剪力值仍较大， 故其中段非加密区 的箍筋不宜取得太小，如加密区箍筋间距为 ““’’（ 或“’’） ，则建议中段非加密区为 “’’（ 或““’’） ， 加密区长度按抗震要求取 值， 其抗剪强度一般都能满足要求， 不需进行 剪力包络图计算。 无集中荷载作用的次梁，只承受均布、 梯 形、 三角形荷载等， 中段剪力衰减较快， 该段箍 筋间距可取端部的“， 加密区长度习惯取梁 跨的 *。另外， 地震作用对次梁的影响很小， 故其箍筋宜按非抗震梁构造要求设置。 （ 上接第页） ,