天友总工说 | 层高对塔楼计算指标影响分析
✦ 随着城市的发展，经济的快速增长，城市对写字楼的硬件要求也随之增加。华丽的外立面轮廓、奢华气派的大堂，成为了各大写字楼重金打造的关键。而隐藏在空间内的细节——空间层高，往往容易被忽视。每栋写字楼，因产品配置不同，其中层高也是各有不同。
✦ 层高一般是指标准层某层的结构底板上表面到上一层底板上表面的距离，层高中包含了梁板厚度、空调、消防及强弱电布线等管线占据的高度空间，所以在制定写字楼方案的时候，层高直接关系到办公的尺度和空间感。
天友总工说，从结构角度分析层高对塔楼指标的影响。
于 学 增
天津公司工程设计第二事业部结构专业副总工程师
计算模型
计算模板采用典型塔楼，采用框架-核心筒结构体系。模型如左图所示。底部两层和一层地下室层高均为5.1米，3至24层层高由常见的3.6至4.2米变化。楼面活荷载取2.0kN/m2，恒荷载取3.0kN/m2，楼板自重自动计算。设防烈度7度，地震加速度0.15g，设计地震分组第二组，场地类别三类，抗震等级符合规范要求。分析了层高对总体信息，周期，位移，内力和材料等方面的影响，为相关项目积累经验，为方案制定提供参考。
01
对一般信息的影响
分析项目包含结构质量，风荷载作用下的底部剪力和倾覆弯矩等，结果如下表所示：
▲表中( )内为不同层高结果与3.6米层高结果的比值
✦ 随层高的增加，结构竖向构件自重及填充墙自重增加，结构恒荷载增加，每次变化增加幅度约2%，与单层面积及竖向构件占单层重量比例有关；
✦ 随层高增加，结构总高度增加，风荷载增大，底部剪力和底部弯矩增大，弯矩增大幅度与底部剪力增大幅度基本呈平方关系。
02
对周期和地震剪力的影响
分析项目包含基本振型对应周期、基底剪力和剪重比，结果如下表所示：
▲表中[ ]内为不同层高结果与3.6米层高结果的比值
规范规定最小剪重比为2.40%，计算结果均满足要求。随层高增加，结构刚度减小，周期变长，周期增大幅度0~20%，结构基底剪力减小，减小幅度0~9%。虽然随层高增加结构重力荷载代表值增加，但由于周期增大，反应谱分析地震影响系数减小，基底剪力减小。（如下图所示）
▲周期随层高变化规律示意图
▲基底剪力随层高变化规律示意图
03
对位移的影响
分析项目包含最大层间位移角和位移比，结果如下表所示：
随层高增加，结构刚度减小，层间位移角增加，增加幅度0~9%，均满足规范要求，对位移比影响不大。（如下图所示）
▲位移角随层高变化规律示意图
04
对构件内力和配筋的影响
构件选取首层核心筒的一片墙体考察层高变化对其受力及配筋影响，结果如下表所示：
随层高增加，结构轴力增加，轴压比增大，剪力和弯矩减小，配筋减小或由最小配筋率控制。（如下图所示）
▲剪力弯矩随层高变化规律示意图
05
对材料用量的影响
从混凝土和钢筋材料用量方面分析层高变化的影响。混凝土用量包含板、梁柱和墙，钢筋用量包含梁、柱和墙。结果如下表所示：
▲表中( )内为不同层高结果与3.6米层高结果的比值
随层高的增加，由于竖向构件高度增加，材料用量增加。其中，混凝土用量增加，每次变化增加幅度约2%。梁钢筋用量增加约3~7%，柱钢筋用量增加约5%，墙钢筋用量增加约3~13%。钢筋总量增加约3~8%。混凝土和钢筋用量随层高变化。（如下图所示）
▲混凝土随层高变化规律示意图
▲钢筋量随层高变化规律示意图
06
小 结
✦ 随层高的增加，结构竖向构件自重及填充墙自重增加，结构恒荷载增加，每次变化增加幅度约2%，与单层面积及竖向构件占单层重量比例有关；
✦ 随层高增加，结构总高度增加， 风荷载增大，底部剪力和底部弯矩增大，弯矩增大幅度与底部剪力增大幅度基本呈平方关系。
最小剪重比均满足：随层高增加，结构刚度减小，周期变长,周期增大幅度0~20%，结构基底剪力减小，减小幅度0~9%。虽然随层高增加结构重力荷载代表值增加，但由于周期增大，地震影响系数减小，基底剪力减小。
随层高增加，结构刚度减小，层间位移角增加，增加幅度0~9%，均满足规范要求，对位移比影响不大。
随层高增加，结构轴力增加，轴压比增大，虽然结构总高增加了，风荷载及重力荷载代表值增大，但由于地震力减小，配筋设计基本由地震参与组合工况控制，配筋设计时的剪力和弯矩减小，正截面和斜截面配筋减小，但减小幅度有限，其中部分由最小配筋率控制，也就是说，虽然计算配筋减小，但设计配筋不变。
从概念上说，层高增加，会适当增加竖向构件的延性，考虑到框架柱尺寸较大，适当的层高可避免形成短柱或极短柱。
随层高的增加，结构混凝土总量每次变化增加幅度约2%，钢筋总量每次变化增加幅度约3%，方案阶段可结合使用效果、产品定位、全专业综合效益及成本等因素综合分析以确定合理的层高。