高层建筑结构施工设计研究

结合工程实际，综合性阐述了高层建筑的结构形式，重点介绍各种结构的特点及性能。

1概述

高层建筑采用预应力混凝土是合理的，并且在高层建筑结构的各个组成部分中，从基础到墙、柱、楼盖和屋盖，预应力混凝土都有其应用和发展前景，其中用得最广的，还是楼盖和屋盖。预应力混凝土结构比普通钢筋混凝土结构可承担更大的荷载，或可有更大的跨度。试考虑一幢主跨为12m的高层建筑，采用非预应力混凝土与预应力混凝土相比，其梁高相差近300mm。如果该高楼为40层，则其梁高一共减少12m，这相当于建筑总高度的10％。即在总高度不变的情况下，层高3m的40层高楼，可做成44层高楼。其经济效益是巨大的。

如果不想增加层数，则高层建筑的高度减小，还带来：①建筑面积相应减少；②能源消耗减少；③所有竖向高度的设备及装饰材料减少；④由于暴露在外的墙面积及其自重减少，从而风载和地震效应也减小,材料、竖向构件和基础的节约。预应力楼盖施工模板可重复使用，而且整体性好，因此，在高层建筑中采用现浇通常是经济的。一般有无梁平板和有梁平板两种预应力楼盖结构。无梁平板使用于8—9m及以下的柱网，这种单向平板和双向平板的跨高比常常可分别达到40和45。

高层建筑的柱子，用于所承受的弯矩不大，所以一般不采用预应力混凝土。但是在如今竞争激烈的房地产业中，房主、房地产商和建筑师们都需要更高质量的办公场所，竞争中十分重要的一个方面就是平面布置的灵活性，要求大柱网、大空间，这时，采用预应力即成了最佳选择，国内外都有不少优秀的工程实例。当高层建筑上部采用小柱网，而底部有扩大柱网要求时，常常采用预应力混凝土转换大梁，以承受上部柱子传来的较大集中荷载。这时，还可以来用分阶段预应力技术，即这种大梁的预应力是一次施工完成的，而是根据工程进度，随梁上荷载的增加，分次施加。

这种分阶段后张预应力技术，可使整个施工过程中大粱的应力和挠度始终保持在一定范围内，可使大梁的截面尺寸不致由一次性预加应力要求而变大。有时，高层建筑采用预应力悬挂结构是很可取的。这时各楼层荷载是通过预应力吊杆向上传力到该大楼顶部或大楼的某一高度或某几个高度处的传力大梁上。随后，通过支承预应力混凝土传力大梁的核心筒体和巨型柱传力给基础。悬挂结构的传力大梁也都是预应力混凝土结构。如果不应用预应力，大跨度就成了一纸空文。因为普通钢筋混凝土梁所需要的截面很大，这将大大增加结构的自重，在地震区是十分不利的。当然，也可以采用钢结构，但其造价太高，连接构造也较复杂。

2高层框架结构

我国高层建筑在早期多为单一用途，如高层住宅、高层旅馆、高层办公楼等。到20世纪70年代末期，上层为住宅、下层为商店的商住楼开始在上海、北京兴建，而在深圳市的建设过程中，商住楼发展成为一个高潮。另一方向，层数日渐增多的高层公共建筑，为满足不同用户的需要，同时也为适应现代社会高效率、快节奏的要求，而发展为高层综合大厦。它的上部为旅馆、住宅，中部为办公用房，而下部则布置商店、餐厅、银行和娱乐设施。轻工业厂房也有多层向高层发展的趋势。

众所周知、预应力框架能够满足公共建筑和轻工业厂房的大跨度要求，但在目前的结构体系下，预应力大框架结构未能与高层建筑的主体结构有机地结合。为了解决高层综合大厦中的大跨度要求问题，往往将公共建筑安排在高层建筑周围的裙房中，即在高层建筑主体之外再附加多层的预应力框架。为了征用建造裙房所用的地皮，需花费比主体结构多得多的征地功用。

我们知道，在地皮较为紧张的地段，才建造高层建筑，通过“向空间要地皮”来降低总的造价。由于大面积裙房的巨额征地费用，又往往降低高层建筑的经济性，另外，高层建筑主塔和裙房之间存在地基沉降差异，虽然可以通过设置沉降缝来解决这一问题，但仍不能完全消除两部分结构相互间的影响。况且，设置沉降缝对于建筑、结构、水电都是比较难处理的问题。因而，把公共建筑的大跨部分做进高层建筑的主体塔楼，具有很大的优越性。要把公共建筑做进高层建筑的主体塔楼，可以通过两条途径。其一是采用钢结构或钢筋混凝土结构，通过钢材良好的材料性能来满足大跨度的要求。

用钢结构作为楼面结构无疑可以形成较大的空间，但是前面提到，用钢材作为高层建筑的主要材料价格十分昂贵，不能作为一种主流。钢筋混凝土具有结构断面小、延性好、刚度大、抗震能力强，以及防火、防锈等优点。但是同样有价格昂贵的缺点，并且在施工中，钢筋穿过型钢的构造、混凝土与钢梁的粘结等也不易处理。把大跨度楼面做进高层建筑主体部分的另一途径是将预应力框架大梁与现有的高层建筑结构体系相结合。预应力大梁截面小，刚度大，防火、防锈，在合理配筋的前提下能够具有较好的延性和良好的抗震能力，能满足较大跨度的要求，具有与钢结构和劲性钢筋混凝土结构一致的优点，并且预应力工程的施工与主体结构施工，交叉进行，不影响主体结构的支模、浇筑，不影响工期。

更为重要的是，预应力工程节省钢材，用的主要是砂、石等地方性材料，价格上的优势是钢结构和劲性钢筋混凝土结构所无法相比的。如果要在粱中穿行电气、水暖管道，也可以在浇筑时在梁的适当部位预留孔洞，施工起来十分方便。高层预应力大跨结构体系，就是采用剪力墙、筒体或竖向平面上的巨型衍架等构件作为主要抗侧力，抵抗水平方向的风载或地震作用，而其楼盖体系采用应力大梁；承受竖向荷载的单元，可以是框架柱，或者剪力墙、筒体和巨型衍架本身。

在下部大跨度和上部不要求大跨度的楼层之间，由转换层来完成荷载的传递和结构形式或结构轴线的转换。从总体上说，这种结构体系的内力分析与一般的高层结构的内力分析并无多大差别，也可以根据不同的结构形式和要求，采用平面框架法、协同刚度法或三维杆件分析方法进行计算。但是由于跨度增加了，也带来了一些设计细节上的问题和构造问题，需要分析研究加以解决。

柱子截面巨大带来的另一个问题是柱在强震下的延性问题。更主要的是依赖于结构有良好的延性，即较强的耗能能力。柱子是结构体系中重要的竖向构件，其延性决定于配筋率、配箍率、材料性能、剪跨比等因素。我们知道剪跨比越小，抗弯能力与抗剪能力的比值就越大，构件往往可能在完全发挥其抗弯能力之前就被剪切破坏，而剪切破坏是脆性破坏，毫无延性可言，在高层大跨结构体系中，柱子拥有较大的截面，而层高是在一定范围之内的，因而其剪跨比很小，是一个超级短柱。采用怎样的构造措施可以提高短柱的延性，是设计人员关心的另一问题。

为了使短柱在荷载的作用下产生所期望的破坏形态，达到预想的承载能力、位移限值、刚度等指标，可以通过被动控制的手段，有目的地用某些构造措施，加强或削弱它的某一项性能指标，以控制整体的破坏形态。在短柱中，既然剪切破坏可能先于弯曲破坏产生，也就是说截面具有比相应抗剪能力更高的抗弯能力并没有什么作用，那么可以干脆降低其抗弯能力，使其抗弯能力与抗剪能力相当，或略低于抗剪能力，使构件在产生抗剪破坏之前就达到抗弯强度，从而避免了剪切破坏的脆性行为。因而我们希望构件的性能，是在初期具有较大的刚度，在后期具有较好的延性，抗弯强度略低于或接近抗剪强度，抗剪强度尽量不被削弱。