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[摘要]针对在高层建筑结构设计施工图和计算书审核时发现的几个设计人员易于忽视的问题提出探讨。
[关键词]位移比 周期比 刚度比 地震倾覆力矩
中图分类号：TU3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0510066－01
随着国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，功能俱全的高层建筑越来越多，规范用于控制高层建筑整体性的设计指标主要有：周期比、位移比、刚重比、刚度比、层间受剪承载力之比、轴压比以及剪重比等。下面就高层建筑结构设计时易于忽视的几个问题展开讨论，以便引起结构设计人员的重视。
一、计算位移比时未采用刚性楼板假定
对于楼层位移比和层间位移比控制，规范规定是针对刚性楼板假定情况的，若有不与楼板相连的构件或定义了弹性楼板，那么，计算结果与规范要求是不同的。
位移比是控制结构平面规则性的重要指标，是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值。结构是否规则、对称，平面内刚度分布是否均匀是结构本身的性能，可以用结构刚心与质心的相对位置表示，二者相距较远的结构在地震作用下扭转可能较大。由于刚心与质心位置都无法直接定量计算，规范采用了校核结构位移比的要求。在楼板平面内无限刚性的假定下，增加了附加偏心距5%L计算校核位移比。位移比是一个相对值，在相同的位移比下，当结构刚度较小、平均侧向位移较大时，扭矩产生的最大位移也大，对结构的危害也较大。相反，如果是同样的位移比，当结构侧向位移较小时，最大位移也相对较小；此时可以将位移比与位移最
大值进行综合考虑，适当放宽位移比的限制值。
二、直接计算多塔结构的周期比
多塔结构周期比控制是一个复杂的问题，目前软件输出的振型方向因子没有参考意义，因此，计算时应将多塔结构分开，按单塔结构控制扭转周期。
周期比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比值。周期比控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系。它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至于出现过大（相对于侧移）的扭转效应，而不是在要求结构具有足够大的刚度。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002[1]以下简称《高规》）第4.3.5条规定：结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。调整结构周期比的措施主要是提高结构的抗扭刚度。这样可以改善结构的抗扭性能，是解决结构抗扭薄弱的根本方法。提高抗扭刚度一般需要调整结构布置，增加结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度；有时要改变结构类型，如增加剪力墙等。这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。调整原则是要加强结构外圈刚度（例如在建筑周边加剪力墙或者柱间支撑），或者削弱内筒降低结构中间的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。
三、忽视刚度比检查
层刚度比是控制结构竖向规则的重要指标，体现了结构整体的竖向匀称度。楼层侧向刚度可取该楼层剪力和该楼层层间位移的比值。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时，都是用层刚度比作为依据。规范提供了三种层刚度的计算方法：楼层剪切刚度、剪弯刚度和楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度。楼层层刚度比的变化主要由于竖向构件不连续、楼板大开洞、层高有较大变化等造成的。由于层刚度产生的薄弱层，可以通过调整结构布置和材料强度等级以避免薄弱层的出现。对于不能避免出现的结构薄弱层，规范要求其地震剪力乘以1.15的增大系数，同时应加强抗震延性构造措施，提高结构的抗震等级、楼板加
强、弱连接结构的加强等，从而加强薄弱部位。
四、忽视0.2Q0调整系数
对于框架剪力墙结构，一般剪力墙的刚度很大，剪力墙吸引了大量的地震力，而框架部分所承担的地震力较小。对于框架部分，如果按这样的地震力进行设计，在剪力墙开裂后会很不安全。所以需要让框架框架部分承担至少20%的基底剪力。
五、忽视地震倾覆力矩的检查
对于抗震设计的框架剪力墙结构，在基本振型地震作用下，框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其框架部分的抗震等级应按框架结构采用，柱轴压比限值宜按框架结构采用；其最大适用高度和高宽比限值可比框架结构适当增加。
六、转角窗的设计问题
塔式高层住宅中，由于建筑功能的需要，建筑师常常在建筑平面外墙转角处采用转角窗，使用户充分享受室外绿化景观和满足室内采光要求。而建筑物角部是结构设计的关键部位，一般均设置L型剪力墙，这种情况下角部构件内力较大，程度不同地显示出剪力滞后现象，应力集中，受力复杂。同时转角墙具有较大扭转刚度且抗震性能较好，若开设转角窗，实际上是取消角部的墙体，代之以角部曲梁，使角部附近的构件受力更加复杂，对结构抗震更加不利。使得与之相连的暗柱增加了平面外的弯矩，角窗下的连梁受扭。一般来说，当该楼层的最大水平位移大于该楼层平均值的1.2倍时，就超过国家规范对高层住宅结构的扭转变形限值，需重新调整结构平面。
调整结构平面的方法是，在转角窗附近布置小开间剪力墙，以提高结构的抗扭刚度，经计算满足规范要求后即可。转角窗上下均应设置转角梁，转角梁实质为一根转角为90°的拐角梁，在一般情况下其截面高度为上下窗台之间的净空高度，其宽度则与墙厚相同，梁的混凝土强度等级宜与墙的混凝土强度等级一致。当角窗两端洞口尺寸相等时，转角梁具有较多悬臂梁性质;当两端尺寸相差较大时，较短梁对较长梁起着弹性支承的作用，设计时根据实际情况，调整配筋。对于转角窗一般采取如下措施加强:将开有角窗房间的楼板适当加厚，楼板配筋应适当加强，宜采用双层双向配筋。转角窗处楼板处于房屋外角边缘，其扭转刚度较差，故在墙肢暗柱之间斜向设置暗梁，暗梁宽取500mm，高同板厚，暗梁内上下配筋相同，并宜配置箍筋。角窗下部的连梁钢筋两端锚入墙内长度满足LaE，并且连梁增加腰筋抗扭，同时转角窗洞边的暗柱，在非加强区也宜按约束边缘构件设计，其截面尺寸宜适当加大，增加暗柱的侧向钢筋，转角窗洞口两侧墙肢均属于无端柱无翼墙，根据规范要求，墙体宜适当加厚。
总之，高层建筑结构设计是一个复杂的过程，应从结构的概念设计着手，选择结构平、立面布置尽量规则以及抗震和抗风性能好的结构体系，并通过合理控制以上指标，使高层的结构布置更加合理，达到更好的效果。
参考文献：
[1]蒋莉莉，浅议高层建筑结构设计要点[J].民营科技，2007.11.
[2]贾鸿林，高层建筑结构设计探究[J].中国高新技术企业，2007.9.
[关键词]位移比 周期比 刚度比 地震倾覆力矩
中图分类号：TU3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0510066－01
随着国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，功能俱全的高层建筑越来越多，规范用于控制高层建筑整体性的设计指标主要有：周期比、位移比、刚重比、刚度比、层间受剪承载力之比、轴压比以及剪重比等。下面就高层建筑结构设计时易于忽视的几个问题展开讨论，以便引起结构设计人员的重视。
一、计算位移比时未采用刚性楼板假定
对于楼层位移比和层间位移比控制，规范规定是针对刚性楼板假定情况的，若有不与楼板相连的构件或定义了弹性楼板，那么，计算结果与规范要求是不同的。
位移比是控制结构平面规则性的重要指标，是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值。结构是否规则、对称，平面内刚度分布是否均匀是结构本身的性能，可以用结构刚心与质心的相对位置表示，二者相距较远的结构在地震作用下扭转可能较大。由于刚心与质心位置都无法直接定量计算，规范采用了校核结构位移比的要求。在楼板平面内无限刚性的假定下，增加了附加偏心距5%L计算校核位移比。位移比是一个相对值，在相同的位移比下，当结构刚度较小、平均侧向位移较大时，扭矩产生的最大位移也大，对结构的危害也较大。相反，如果是同样的位移比，当结构侧向位移较小时，最大位移也相对较小；此时可以将位移比与位移最
大值进行综合考虑，适当放宽位移比的限制值。
二、直接计算多塔结构的周期比
多塔结构周期比控制是一个复杂的问题，目前软件输出的振型方向因子没有参考意义，因此，计算时应将多塔结构分开，按单塔结构控制扭转周期。
周期比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比值。周期比控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系。它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至于出现过大（相对于侧移）的扭转效应，而不是在要求结构具有足够大的刚度。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002[1]以下简称《高规》）第4.3.5条规定：结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。调整结构周期比的措施主要是提高结构的抗扭刚度。这样可以改善结构的抗扭性能，是解决结构抗扭薄弱的根本方法。提高抗扭刚度一般需要调整结构布置，增加结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度；有时要改变结构类型，如增加剪力墙等。这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。调整原则是要加强结构外圈刚度（例如在建筑周边加剪力墙或者柱间支撑），或者削弱内筒降低结构中间的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。
三、忽视刚度比检查
层刚度比是控制结构竖向规则的重要指标，体现了结构整体的竖向匀称度。楼层侧向刚度可取该楼层剪力和该楼层层间位移的比值。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时，都是用层刚度比作为依据。规范提供了三种层刚度的计算方法：楼层剪切刚度、剪弯刚度和楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度。楼层层刚度比的变化主要由于竖向构件不连续、楼板大开洞、层高有较大变化等造成的。由于层刚度产生的薄弱层，可以通过调整结构布置和材料强度等级以避免薄弱层的出现。对于不能避免出现的结构薄弱层，规范要求其地震剪力乘以1.15的增大系数，同时应加强抗震延性构造措施，提高结构的抗震等级、楼板加
强、弱连接结构的加强等，从而加强薄弱部位。
四、忽视0.2Q0调整系数
对于框架剪力墙结构，一般剪力墙的刚度很大，剪力墙吸引了大量的地震力，而框架部分所承担的地震力较小。对于框架部分，如果按这样的地震力进行设计，在剪力墙开裂后会很不安全。所以需要让框架框架部分承担至少20%的基底剪力。
五、忽视地震倾覆力矩的检查
对于抗震设计的框架剪力墙结构，在基本振型地震作用下，框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其框架部分的抗震等级应按框架结构采用，柱轴压比限值宜按框架结构采用；其最大适用高度和高宽比限值可比框架结构适当增加。
六、转角窗的设计问题
塔式高层住宅中，由于建筑功能的需要，建筑师常常在建筑平面外墙转角处采用转角窗，使用户充分享受室外绿化景观和满足室内采光要求。而建筑物角部是结构设计的关键部位，一般均设置L型剪力墙，这种情况下角部构件内力较大，程度不同地显示出剪力滞后现象，应力集中，受力复杂。同时转角墙具有较大扭转刚度且抗震性能较好，若开设转角窗，实际上是取消角部的墙体，代之以角部曲梁，使角部附近的构件受力更加复杂，对结构抗震更加不利。使得与之相连的暗柱增加了平面外的弯矩，角窗下的连梁受扭。一般来说，当该楼层的最大水平位移大于该楼层平均值的1.2倍时，就超过国家规范对高层住宅结构的扭转变形限值，需重新调整结构平面。
调整结构平面的方法是，在转角窗附近布置小开间剪力墙，以提高结构的抗扭刚度，经计算满足规范要求后即可。转角窗上下均应设置转角梁，转角梁实质为一根转角为90°的拐角梁，在一般情况下其截面高度为上下窗台之间的净空高度，其宽度则与墙厚相同，梁的混凝土强度等级宜与墙的混凝土强度等级一致。当角窗两端洞口尺寸相等时，转角梁具有较多悬臂梁性质;当两端尺寸相差较大时，较短梁对较长梁起着弹性支承的作用，设计时根据实际情况，调整配筋。对于转角窗一般采取如下措施加强:将开有角窗房间的楼板适当加厚，楼板配筋应适当加强，宜采用双层双向配筋。转角窗处楼板处于房屋外角边缘，其扭转刚度较差，故在墙肢暗柱之间斜向设置暗梁，暗梁宽取500mm，高同板厚，暗梁内上下配筋相同，并宜配置箍筋。角窗下部的连梁钢筋两端锚入墙内长度满足LaE，并且连梁增加腰筋抗扭，同时转角窗洞边的暗柱，在非加强区也宜按约束边缘构件设计，其截面尺寸宜适当加大，增加暗柱的侧向钢筋，转角窗洞口两侧墙肢均属于无端柱无翼墙，根据规范要求，墙体宜适当加厚。
总之，高层建筑结构设计是一个复杂的过程，应从结构的概念设计着手，选择结构平、立面布置尽量规则以及抗震和抗风性能好的结构体系，并通过合理控制以上指标，使高层的结构布置更加合理，达到更好的效果。
参考文献：
[1]蒋莉莉，浅议高层建筑结构设计要点[J].民营科技，2007.11.
[2]贾鸿林，高层建筑结构设计探究[J].中国高新技术企业，2007.9.