[摘要]結構設計中相當部分構件的設置，規范僅給出了最低限值或建議取值，實際設計過程中各人的理解不同可能對整個設計帶來相當大的區別。還有部分是屬于概念設計的范疇，尤其值得我們一起探討。
　　[關鍵詞]結構設計；水平力；扭轉
　　隨著社會經濟的迅速發展和建筑功能的多樣化,城市人口的不斷增多及建設用地日趨緊張和城市規劃的需要,促使高層建筑得以快速發展。另一方面由于輕質高強材料的開發及新的設計計算理論的發展,抗風和抗震理論的不斷完善,加之新的施工技術和設備的不斷涌現,特別是計算機的普及和應用以及結構分析手段的不斷提高,為迅速發展高層建筑提供了必要的技術條件。本文對高層建筑結構設計中值得重視的幾個問題進行了探討,僅供參考。
　　高層建筑結構設計的特點
　　高層建筑結構設計與低層、多層建筑結構相比較,結構專業在各專業中占有更重要的位置,不同結構體系的選擇,直接關系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機電管道的設置、施工技術的要求、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有:
　　(一)水平力是設計主要因素
　　在低層和多層房屋結構中,往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計。而在高層建筑中,盡管豎向荷載仍對結構設計產生重要影響,但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值,僅與建筑高度的一次方成正比;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力,是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面,對一定高度建筑來說,豎向荷載大體上是定值,而作為水平荷載的風荷載和地震作用,其數值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化。
　　(二)側移成為控制指標
　　與低層或多層建筑不同,結構側移已成為高層結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加,水平荷載下結構的側向變形迅速增大,與建筑高度H的4次方成正比(△=qH4ö8EI)。另外,高層建筑隨著高度的增加、輕質高強材料的應用、新的建筑形式和結構體系的出現、側向位移的迅速增大,在設計中不僅要求結構具有足夠的強度,還要求具有足夠的抗推剛度,使結構在水平荷載下產生的側移被控制在某一限度之內,否則會產生以下情況:
　　1.因側移產生較大的附加內力,尤其是豎向構件,當側向位移增大時,偏心加劇,當產生的附加內力值超過一定數值時,將會導致房屋側塌。
　　2.使居住人員感到不適或驚慌。
　　3.使填充墻或建筑裝飾開裂或損壞,使機電設備管道損壞,使電梯軌道變型造成不能正常運行。
　　4.使主體結構構件出現大裂縫,甚至損壞。
　　(三)減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要
　　高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮,如果在同樣地基或樁基的情況下,減輕房屋自重意昧著不增加基礎造價和處理措施,可以多建層數,這在軟弱土層有突出的經濟效益。地震效應與建筑的重量成正比,減輕房屋自重是提高結構抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了,不僅作用于結構上的地震剪力大,還由于重心高地震作用傾覆力矩大,對豎向構件產生很大的附加軸力,從而造成附加彎矩更大。
　　(四)軸向變形不容忽視
　　采用框架體系和框架——剪力墻體系的高層建筑中,框架中柱的軸壓應力往往大于邊柱的軸壓應力,中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時,此種軸向變形的差異將會達到較大的數值,其后果相當于連續梁中間支座沉陷,從而使連續梁中間支座處的負彎矩值減小,跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。
　　高層建筑結構設計的幾個問題
　　(一)高層建筑結構受力性能
　　對于一個建筑物的最初的方案設計,建筑師考慮更多的是它的空間組成特點,而不是詳細地確定它的具體結構。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩定和水平方向的穩定都是非常重要的,由于建筑物是由一些大而重的構件所組成,因此結構必須能將它本身的重量傳至地面,結構的荷載總是向下作用于地面的,而建筑設計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關系,所以,在建筑設計的方案階段,就必須對主要的承重柱和承重墻的數量和分布作出總體設想。
　　(二)高層建筑結構設計中的扭轉問題
　　建筑結構的幾何形心、剛度中心、結構重心即為建筑三心,在結構設計時要求建筑三心盡可能匯于一點,即三心合一。結構的扭轉問題就是指在結構設計過程中未做到三心合一,在水平荷載作用下結構發生扭轉振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用而發生的扭轉破壞,應在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局,盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下,高層建筑扭轉作用的大小取決于質量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻,減輕結構的扭轉振動,應使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下,由于城市規劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制,高層建筑不可能全部采用簡單平面形式,當需要采用不規則L形、T形、十字形等比較復雜的平面形式時,應將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規范允許的范圍之內,同時,在結構平面布置時,應盡可能使結構處于對稱狀態。
　　(三)高層建筑結構設計中的側移和振動周期
　　建筑結構的建筑結構的振動周期問題包含兩方面:合理控制結構的自振周期;控制結構的自振周期使其盡可能錯開場地的特征周期。
　　(1)結構自振周期
　　高層建筑的自振周期(T1)宜在下列范圍內:
　　框架結構:T1=(0.1～0.15)N
　　框—剪、框筒結構:T1=(0.08～0.12)N
　　剪力墻、筒中筒結構:T1=(0.04～0.10)N
　　N為結構層數。
　　結構的第二周期和第三周期宜在下列范圍內:
　　第二周期:T2=(1ö3～1ö5)T1;第三周期:T3=(1ö5～1ö7)T1。
　　(2)共振問題
　　當建筑場地發生地震時,如果建筑物的自振周期和場地的特征周期接近,建筑物和場地就會發生共振。因此在建筑方案設計時就應針對預估的建筑場地特征周期,通過調整結構的層數,選擇合適的結構類別和結構體系,擴大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別,避免共振的發生。
　　(3)水平位移特征
　　水平位移滿足高層規程的要求,并不能說明該結構是合理的設計。同時還需要考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因為結構抗震設計時,地震力的大小與結構剛度直接相關,當結構剛度小,結構并不合理時,由于地震力小則結構位移也小,位移在規范允許范圍內,此時并不能認為該結構合理。因為結構周期長、地震力小并不安全;其次,位移曲線應連續變化,除沿豎向發生剛度突變外,不應有明顯的拐點或折點。一般情況下剪力墻結構的位移曲線應為彎曲型;框架結構的位移曲線應為剪切型;框—剪結構和框—筒結構的位移曲線應為彎剪型。
　　(四)位移限值、剪重比及單位面積重度
　　(1)位移限值
　　在結構整體計算的輸出結果中,結構的側移(包括層間位移和頂點位移)是一個重要的衡量標準,其數值大小從一個側面反映出結構的整體剛度是否合適,過大或過小都說明結構剛度過小或過大(或者體現結構兩個主軸方向的剛度是否均衡),以致要引起設計者對其中的結構體系選擇、結構的豎向及平面布置合理性的再思考。現行規范中將頂點位移與層間位移并重對待,經實踐探索并參照國外經驗,得出的結論為:高層建筑尤其是超高層建筑,頂點位移限值決定的不僅是其數值大小而且還有其振動頻率,人的舒適感覺與振動頻率有關而與振動幅度(絕對位移)關系不大,即擺動頻率不太高時就可滿足人們的舒適度;其次,防止結構由于變形過大而可能遭受損壞或破壞的控制因素是層間相對位移,而其限值在現行規范中似偏嚴,可予放松。同一結構用不同的計算程序計算,如果其層間位移數值差異很大,則有可能是其“層間位移”內涵不同所致,有的是指樓層形心位移,有的則專指考慮樓層轉動后的最大角點位移,后者通常比前者要大,形心位移對規則建筑有意義,而角點位移則更能反映結構樓層的真實位移,因此角點位移是結構工程師必須關注的一個數值。
　　(2)剪重比及單位面積重度
　　結構的剪重比(也即水平地震剪力系數)K=VEKöG是體現結構在地震作用下反應大小的一個指標,其大小主要與結構地震設防烈度有關,其次與結構體型有關,當設防烈度為7、8、9度時,剪重比分別為0.012,0.024,0.040;扭轉效應明顯或基本周期<3.5s的結構剪重比則分別≮0.016,0.032,0.064。單位面積重度C0=GöA(kNöm2)是衡量結構構件截面取值是否合理和樓層荷載數據輸入是否正確的一個重要指標。式中的G由以下幾部分,即結構構件自重、樓面建筑面層及天棚抹灰(或吊頂)重、填充墻(包括抹面層)重和樓面使用荷載組成;A則一般以地面以上的建筑面積總和計算,以便有一個相對準確的比較標準。定性地分析比較r0值的大小,可得出以下結果,即一般內部隔墻多的建筑(比如住宅)大于間隔墻少的建筑(比如敝開式辦公室);層數多的建筑略大于層數少的同性質建筑;設防烈度高的建筑大于設防烈度低的同性質同規模建筑;剪力墻多的建筑大于剪力墻少甚至僅為框架的建筑。一般高層建筑的單位面積重度在10～18kNöm2之間,除個別較特別的以外,多數在15kNöm2左右。
　　以上兩個指標不僅在施工圖設計階段,而且在初步設計階段都是非常重要的數據,其數值正常與否從另一個側面反映出結構體系的選擇是否合適,結構布置(包括構件截面確定)是否合理,電算數據輸入是否正確,以及最后決定電算結果是否可信可用等,因此結構設計者對這兩個指標切不可掉以輕心,更不可認為是無關緊要的。