摘? 要：對于高層及超高層建筑來說，由于其特殊的抗震及抗風(fēng)要求，較多采用框剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等體系。部分高層建筑受到使用功能限制，而采用混凝土框架結(jié)構(gòu)。由于框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力較弱，結(jié)構(gòu)抗震性能單一，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求。本文針對高層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)，希望對高層混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)起到一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：高層建筑;鋼筋混凝土;框架結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU375.05? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號：2096-6903（2020）11-0000-00

0引言

建筑物自古以來都是人類賴以生存和發(fā)展的重要場所，人類社會(huì)的不斷進(jìn)步和取得的豐碩成果離不開建筑物。建筑結(jié)構(gòu)要做到安全、適用、經(jīng)濟(jì)等原則，保證建筑的安全性始終放在首要位置。為了滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類日益增長的物質(zhì)文化需要，人類對于建筑的安全性也提出了越來越高的要求。

1高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

影響高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素很多，除建筑自身布置的影響外，地震和風(fēng)荷載對高層建筑影響較大。我國是地震多發(fā)的國家，在一些地區(qū)和重要城市，地震設(shè)防烈度較高;在沿海地區(qū)平均風(fēng)壓較大，對結(jié)構(gòu)的安全性都提出更高的要求。

1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

高層混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到：“小震不壞”“中震可修”“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)[1]。通過對建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，用經(jīng)濟(jì)的手段和措施達(dá)到預(yù)期的各項(xiàng)要求。

1.2水平與豎向設(shè)計(jì)

計(jì)算時(shí)通常把各層簡化成單質(zhì)點(diǎn)體系，水平力按照框架柱的側(cè)向剛度進(jìn)行分配，可計(jì)算出各樓層構(gòu)件內(nèi)力、各樓層側(cè)向位移等。豎向力主要包括使用荷載和自重荷載。各樓層豎向荷載通過平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)遞給結(jié)構(gòu)柱。通過對樓層荷載組合、分配，可以計(jì)算各結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸、受力及配筋。

1.3節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)向水平力主要依靠梁、柱節(jié)點(diǎn)相互作用來實(shí)現(xiàn)，單獨(dú)依靠框架柱抗側(cè)向水平力、控制側(cè)向位移是不合理的。所以做好框架結(jié)構(gòu)的梁、柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，對框架結(jié)構(gòu)安全性起至關(guān)重要的作用。當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在轉(zhuǎn)換等特殊構(gòu)件時(shí)，應(yīng)對相關(guān)構(gòu)件及部位進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，避免局部構(gòu)件失穩(wěn)。

2設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方法

高層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于柱及結(jié)構(gòu)平面合理布置[2]。以結(jié)構(gòu)通用計(jì)算軟件盈建科為例，按照規(guī)范要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)控制的目標(biāo)參數(shù)主要有如下七個(gè)：

2.1軸壓比

軸壓比是柱軸壓力設(shè)計(jì)值與柱全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比?？拐鸬燃壴礁叩慕ㄖY(jié)構(gòu)延性要求越高，軸壓比限制也越嚴(yán)格。試驗(yàn)證明，混凝土強(qiáng)度等級，箍筋配置的形式與數(shù)量，均與柱的軸壓比有密切的關(guān)系。調(diào)整軸壓比的方法可采用增大柱截面、提高柱混凝土強(qiáng)度等級、采用螺旋箍筋、配置芯柱等。

2.2剪重比

剪重比為各樓層最小地震剪力，出于對結(jié)構(gòu)安全的考慮，尤其對于基本周期大于3.5秒及存在薄弱層的結(jié)構(gòu)，規(guī)范引入樓層最小地震剪力的要求。若計(jì)算地震剪力小于規(guī)定值，則需要按最小地震剪力完成計(jì)算。

2.3剛度比

剛度比是結(jié)構(gòu)豎向不同樓層的側(cè)向剛度的比值，該值為了控制高層結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性，避免豎向剛度突變，形成薄弱層。對于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剛度能否滿足要求、地下室頂板能否作為嵌固端及薄弱層判斷，均以剛度比作為判斷依據(jù)。

結(jié)構(gòu)類型不同時(shí)，計(jì)算所采用的結(jié)構(gòu)剛度不同。對于多層建筑、底部為一層大空間結(jié)構(gòu)及磚混結(jié)構(gòu)應(yīng)采用“剪切剛度”（Ki=GiAi/hi）;對于底部為多層大空間結(jié)構(gòu)或有支撐鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)采用“剪彎剛度”（Ki=Vi/Δi）;而對于常規(guī)結(jié)構(gòu)來說，可采用“地震剪力與地震層間位移的比值”（Ki=Qi/Δui）的方法[3]。

2.4 位移比

位移比即樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移與平均水平位移的比值。層間位移角為柱層間位移與層高的比值。為保證高層框架結(jié)構(gòu)具有一定的剛度。

位移比受結(jié)構(gòu)平面規(guī)則程度、結(jié)構(gòu)層高等因素影響。當(dāng)位移較大時(shí)，可適當(dāng)改變結(jié)構(gòu)平面布置，減小結(jié)構(gòu)剛心與形心的偏心距;也可對較大位移構(gòu)件剛度進(jìn)行加強(qiáng);或?qū)^小位移構(gòu)件剛度進(jìn)行削弱，使位移比滿足規(guī)范要求。

2.5 周期比

周期比主要為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。周期比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對于側(cè)移剛度較小，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大。

周期比的調(diào)整可通過改變結(jié)構(gòu)布置，提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度;一般的調(diào)整原則是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圍框架梁、框架柱或斜撐的剛度，適當(dāng)削弱中間框架的剛度。當(dāng)?shù)谝徽裥蜑榕まD(zhuǎn)時(shí)，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度小于平動(dòng)側(cè)移剛度，應(yīng)平動(dòng)主軸適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圍的剛度，適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)平動(dòng)剛度。

2.6 剛重比

剛重比為結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與重力荷載設(shè)計(jì)值之比。是影響重力二階效應(yīng)的主要參數(shù)，重力二階效應(yīng)隨著結(jié)構(gòu)剛重比的降低呈雙曲線關(guān)系增加。高層框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，若重力二階效應(yīng)過大時(shí)可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。

剛重比不滿足規(guī)范要求時(shí)，表明結(jié)構(gòu)剛度相較于重力荷載過小，而剛重比過大時(shí)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)較差，可適當(dāng)減小框架柱的截面尺寸。

2.7 層間受剪承載力比

該比值是為了控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則性，避免豎向樓層受剪承載力產(chǎn)生突變，而形成薄弱層。層間受剪承載力比不滿足規(guī)范要求時(shí)，可適當(dāng)提高相應(yīng)樓層或降低上部相關(guān)樓層框架柱的構(gòu)件強(qiáng)度來解決。對于形成的薄弱層應(yīng)按規(guī)范要求采取加強(qiáng)措施。

3設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

（1）高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使各層剛度相近，避免形成薄弱層。結(jié)構(gòu)布置方案盡量避免采用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、平面不宜采用高位收進(jìn)、中間樓層不宜進(jìn)行抽柱設(shè)計(jì)。對于一般的高層框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)對層高較高的嵌固層及相關(guān)樓層進(jìn)行剛度和水平承載力進(jìn)行加強(qiáng)。

（2）結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)盡量規(guī)則對稱、樓面荷載應(yīng)盡量做到均勻分布、避免局部樓層荷載過度集中、樓面開洞及凸凹尺寸盡量小于30%，以減小高層框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（3）高層框架結(jié)構(gòu)側(cè)向位移較大，防震縫、沉降縫和伸縮縫的設(shè)置寬度不宜過小，防止結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下發(fā)生嚴(yán)重的碰撞破壞。另外，高、低層框架結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造應(yīng)合理。

（4）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓梯的剛度較大，高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)合理考慮樓梯剛度對主體結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)樓梯對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剛度不均、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等不利影響時(shí)，應(yīng)將樓梯板按照滑動(dòng)支座設(shè)計(jì);當(dāng)樓梯對主體結(jié)構(gòu)的規(guī)則性有利時(shí)，可適當(dāng)考慮樓梯的側(cè)向剛度，將樓梯板按固結(jié)支座設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)應(yīng)予以考慮。

（5）當(dāng)高層框架結(jié)構(gòu)有突出屋頂?shù)男〕鑫菝鏁r(shí)，在結(jié)構(gòu)高陣型的影響下，小屋面結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生鞭梢效應(yīng)[4]，在強(qiáng)震作用下容易發(fā)生嚴(yán)重震害。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對屋頂小出屋面進(jìn)行地震力放大，確保屋面及相關(guān)部位結(jié)構(gòu)安全。

（6）高層框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)較多采用天然基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。當(dāng)采用天然基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)埋深[5]不宜小于房屋高度的1/15;當(dāng)采用樁基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)埋深不宜小于房屋高度的1/18;且高層建筑基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。當(dāng)基礎(chǔ)不滿足埋深等要求時(shí)，應(yīng)對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆和抗滑移驗(yàn)算。同時(shí)應(yīng)在荷載和沉降較大處底層框架柱上設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，做好高層框架結(jié)構(gòu)的沉降觀測。

4結(jié)語

高層框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防單一，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)置多道抗震防線，構(gòu)件應(yīng)按照超靜定體系設(shè)計(jì);優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，避免出現(xiàn)超限項(xiàng)，使結(jié)構(gòu)具備一定的安全儲(chǔ)備和良好的抗震性能;注重結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，合理采用抗震構(gòu)造措施。從而實(shí)現(xiàn)高層框架結(jié)構(gòu)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)，最大限度的保證生命和財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 李伯順.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)與性能評估[J].門窗，2018（11）：195.

[2] 魏璉.王森.中國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法發(fā)展及若干問題分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2017（1）：3-9.

[3] 許崇偉.黃勤勇.層高突變對高層建筑樓層剛度的影響及其對策[J].建筑科學(xué)，2006（4）：16-17.

[4] 雷雨潤.高層建筑結(jié)構(gòu)中抗震概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用[J].建設(shè)科技，2017（8）：80

[5] 戚明軍.石濤.雷珂娜.高層建筑基礎(chǔ)埋深對復(fù)合地基穩(wěn)定性的影響研究[J].地震工程學(xué)報(bào)，2014（4）：975.

收稿日期：2020-10-08

作者簡介：孫開天（1987—），男，浙江杭州人，碩士，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。