上海市建工设计研究总院有限公司200235
摘要：城镇化快速发展，大量人口涌入城市，导致城市人口大幅度增长，人口数量和土地矛盾日益突出。为了缓解土地紧张的局面，全国各地大规模兴建高层建筑。高层建筑结构复杂、层数高、建筑负荷大，对建筑抗震要求高，因此高层建筑结构设计要求。本文主要分析了高层建筑的受力特点，并根据其受力特点，探讨了高层建筑结构设计中的抗剪重比、刚度比、位移比等，通过这些指标提高建筑设计人员的设计水平。
关键词：高层建筑；受力特点；结构设计；指标
引言：
随着经济社会的发展，极大地促进了我国建筑行业的快速发展。为了提高土地利用率，高层建筑和超高层建筑日益发展。由于高层建筑层数多、结构复杂、建设周期长，对建筑设计提出了更高的要求。高层建筑结构设计水平直接影响到整个建筑的安全性，所以在设计的时候，要考虑到高层建筑设计的各个要素，确保建筑施工安全。
1.高层建筑概念和受力特点
1.1高层建筑概念
高层建筑只建筑高度大于27米的住宅建筑和建筑高大大于24米的非单层库房、仓库以及其他民用建筑。不同国家对高层建筑的定义不同。美国将24.6米或者7层以上的建筑看成是高层建筑；英国将大于等于24.3米的建筑看成高层建筑；日本将31米以上或者8层以上的建筑看成高层建筑。按照我国高层建筑规定，凡是建筑房屋大于28米或者楼层超过10层以上的建筑可视作高层建筑。随着建筑行业的快速发展，高层建筑的层数和规模不断扩大，未来高层建筑和超高层建筑将成为主流，因此探讨高层建筑受力特点，对促进我国高层建筑设计水平具有重要意义。
1.2高层建筑受力特点
高层建筑结构设计和低层、多层建筑结构设计相比，具有以下特点：第一，水平力是高层建筑设计的主要因素。低层建筑和多层建筑结构设计中，一般是以重力为代表的竖向荷载主导结构设计。但是高层建筑结构的水平荷载是设计的主要因素，侧移成为设计的控制指标，向变形的影响在设计中不容忽视。第二，高层建筑结构设计不仅要求具有足够的承载力，而且还必须具备一定的抗侧向力和刚度，确保高层建筑结构在水平作用下，不会发生侧向位移，如果发生侧向位移，侧向位移的范围在高层建筑设计规范要求内，所以高层建筑结构的侧向刚度由位移结构控制，P-△效应比较明显。第三，高层建筑一旦发生地震，则地震倾覆力比较大，对竖向建筑机构产生很大的附加轴力，P-△效应造成的附加弯矩影响更大。第四，地基基础承载力和刚度与建筑结构上部的刚度和承载力相适应。可以将高层建筑设想为支撑地面的竖向悬臂挂件，承受着建筑结构的水平荷载和竖向荷载作用。
2.高层建筑结构设计设计应注意的重要指标
2.1周期比
我国是一个地震灾害比较频繁的国家，高层建筑抗震要求比多层建筑要高。高层建筑结构设计必须达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求。周期比主要控制高层建筑的扭转作用，提高高层建筑的抗震性能，周期比是结构扭转效应第一自振周期和平动为主的第一自振周期比。周期比体现了控制扭转刚度和侧向刚度之间的关系。计算周期比可以判断高层建筑结构抗侧向力构件的水平布置是否合理，以免地震发生时建筑结构扭转过大，导致建筑结构变形或者侧向位移。按照我国《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-20103.4.5条规定，周期比为T，属于A级高度的高层建筑物的周期比要小于0.9，B级建筑高层的周围比为0.85。在设计过程中，如果周期比影响了建筑结构整体布局，则需要进行调整，提高建筑结构的抗扭刚度，这是降低高层建筑结构扭转作用最有效的方法之一，可以通过两个方式提高建筑结构的抗扭刚度，比如提高建筑结构周边构件的刚度，增加剪力墙或者在建筑结构梁柱之间增加支撑，加大建筑外围架梁的横断面等等。
某18层住宅，抗震设防烈度7度，剪力墙抗震等级三级，初级计算时标注层结构平面布置图如下：
计算后考虑扭转耦联时的振动周期（秒）、X，Y方向的平动系数、扭转系数
第1扭转周期（1.6501）/第1平动周期（1.7743）=0.93不满足规范《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-20103.4.5条规定。对结构平面做出以下调整，减小结构内部刚度，缩短墙上，同时增加外围抗扭刚度，在窗洞处做剪力墙开洞处理，形成高连梁，调整后结构平面如下图：
考虑扭转耦联时的振动周期（秒）、X，Y方向的平动系数、扭转系数：
第1扭转周期（1.4593）/第1平动周期（1.7409）=0.84满足规范要求。
2.2位移比
位移比是高层建筑结构保持结构平面规则性的指标，它是楼层竖向构件最大位移与层间位移与该建筑结构楼层位移平均值之比。按照我国《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016版）3.4.3条规定，在考虑到偶然偏心力影响的水平地震作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移A级高层建筑不应该大于该建筑楼层平均值的1.2倍，B级高层建筑不应该大于该建筑楼层平均值的1.5倍。位移比是一个相对值，在同一位移比下，建筑结构刚度越小、平均侧向位移比较大时，扭矩产生的最大位移也比较大，那么最大位移则相对比较小。这个时候适当放宽位移比的限制值，如果最大层间位移比小于《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010表3.73条中要求的50%时，则位移比限制值可以放宽10%；如果最大层间位比远远小于建筑设计标准的50%时，还可以适当放宽限制幅度，但是不能超过20%。某高层建筑位移城市中心繁华地带，由两栋对称的高层双子塔楼、4层裙楼以及三层地下车库构成，其中A座位办公和商业用途，塔楼以及附属建筑的总面积为170000㎡，一共37层，建筑总高度为180米，1-4层为商业活动区域，层高为5米，5-37层为办公区域，层高为4.6米。地下室一共有3层，主要是机房、设备以及地下车库。建筑安全等级为二级，抗震房烈度为八度，场地类别为III类。通过SATWE软件对建筑工程的结构弹性进行模拟，发现高层建筑X向在地震作用下最大位移比为1.11.，风荷载作用下最大位移比为1.05，Y向在地震作用下最大位移比为1.07，风荷载作用下最大位移比为1.11，计算结果满足高层建筑设计规范的要求。
2.3刚重比
刚重比是建筑结构刚度和重力荷载之比，刚重比影响到整个高层建筑结构的稳定性，也是影响建筑重力二阶效应的主要参数。随着高层建筑结构的侧移不断增加，侧移造成的附加效应也在不断增加，一定程度上影响到建筑结构构件的承载力，从而影响到建筑结构整体的稳定性。混凝土结构建筑的刚度降低，那么重力二阶效应明显。造成重力二阶效应有两方面的因素，第一个因素是建筑构件绕曲造成的附加重力效应，第二因素是水平荷载造成的建筑结构侧向位移，重力荷载由于侧移引起的附加效应。一般情况下，第一个情况对建筑结构的影响比较小，水平荷载造成的建筑结构位移导致的重力二阶效应比较明显。所以在设计的时候要限制建筑结构的弹性刚度和重力荷载。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-20105.4.4条中对刚重比的相关规定，考虑到重力二阶效应在水平作用下，对高层建筑结构的内力和位移造成影响。在设计的时候，要充分考虑到重力二阶效应，剪力墙结构、筒体结构以及框架-剪力墙结构的刚重比大于1.4，框架结构的刚重比大于1.0。
2.4刚度比
刚度比是建筑结构竖向布置的重要指标，刚度比是高层建筑楼层侧向刚度的楼层剪力与楼层层间位移之比。在建筑结构设计过程中，分析楼层地下室、薄弱层是否作为嵌入端和转换层高度的时候，主要以刚度比作为参考。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016版）附录E2.1规定，筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016版）3.4.3、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-20103.5.2、3.5.3条规定高层建筑楼层侧向高于不能小于相邻上部楼层向刚度的70%或者向上相邻三层侧向刚度平均值的80%。
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-20103.5.7条规定，高层建筑结构计算中，当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。
层刚度比的计算方法：
高规附录E.0.1建议的方法——剪切刚度
Ki=GiAi/hi
高规附录E.0.2建议的方法——剪弯刚度
Ki=Fi/Δi
抗震规范的3.4.2和3.4.3条文说明中建议的计算方法：
Ki=Vi/Δui
层刚度比的控制方法：新规范要求结构各层之间的刚度比，并根据刚度比对地震力进行放大，所以刚度比的合理计算很重要。
新规范对结构的层刚度有明确的要求，在判断楼层是否为薄弱层、地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求等等，都要求有层刚度作为依据，所以层刚度计算的准确性就比较重要。
层刚度作为该层是否为薄弱层的重要指标之一，对结构的薄弱层，规范要求其地震剪力放大《高规》3.5.8乘以1.25的增大系数。《高规》3.5.8条纹说明增大系数由02规程的1.15调整为1.25，适当提高安全度要求。
层刚度比即结构必须要有层的概念，但是，对于一些复杂结构，如坡屋顶层、体育馆、看台、工业建筑等，这些结构或者柱、墙不在同一标高，或者本层根本没有楼板，所以在设计时，可以不考虑这类结构所计算的层刚度特性。
对于大底盘多塔结构，或上联多塔结构，在多塔和单塔交接层之间的层刚度比是没有意义的。如大底盘处因为离塔较远的构件，对该塔的层刚度没有贡献，所以遇到多塔结构时，层刚度的计算应该把底盘切开，只能保留与该塔2到3跨的底盘结构。
对于错层结构或带有夹层的结构，层刚度比有时得不到合理的计算，这是因为层的概念被广义化了。此时，需要采用模型简化才能计算出层刚度比。
影响高层建筑楼层刚度比的主要因素有楼板大开洞、竖向构件连续性不强、层高有较大变化等造成的。为了提高高层建筑薄弱层的刚度，可以通过调整高层建筑结构设计材料强度或者加强对建筑结构平面布置，以免影响到高层建筑结构的整体抗震性能。如果通过结构调整依然无法避免建筑结构出现薄弱层，那么则可以增加高层建筑抗震性能，提高高层建筑薄弱环节的抗震性能。
2.5剪重比
高层建筑剪重比是判断建筑抗震性能的重要指标，剪重比指的是地震作用下剪力与重力荷载之比。在计算的高层建筑剪重比的时候，要考虑时间因素，因为高层建筑随着时间的推移，地震影响系数不断下降，那么计算出来的水平地震作用下剪重比可能偏小。出于建筑安全考虑，《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016版）5.2.5条对其作出了相应的规定，要求高层建筑各个楼层之间的剪重比如下表：
某建筑总面积为200000平方米，抗震设防烈度6度，地震加速度0.05g。建筑由5栋30-32层的高层住宅楼构成，建筑高度99.4米，其中地下室为2层，地上上为住宅楼，5栋高层建筑的地下室为一体，建筑结构平面体型不规则，结构长宽比为3.7～6.9，高宽比5.4～10.3。该工程建筑结构为剪力墙结构，剪力墙厚度为200~250mm，三级抗震。初步计算时，剪力墙的墙肢轴压比小于0.6，下部5层（地下室除外）剪重比小于规范规定值0.8%，其他技术指标均满足规范要求。后经过分析，调整结构布置，增加剪力墙布墙率，最终计算剪重比满足规范要求，
结束语：
高层建筑结构设计是一个比较复杂、系统的工程，在设计的时候，需要考虑到各个方面的因素。建筑设计师在设计的时候，要严格按照建筑设计的规范和标准，严格控制各个设计质保，确保建筑结构设计的科学性、合理性、安全性。
参考文献：
[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016版）
[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010
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