浅析高层结构设计要点分析

　　摘要：本文以我国目前建筑结构设计的现状为切入点，从设计与施工的联系等几个方面进行分析，总结出一些切实可行的设计方法，对结构设计的重要性，以及在结构设计中应给与重视的设计要点给与论述，进而保证建筑的使用功能外，还要保证其安全性、抗震性。
　　
　　关键词：高层;结构设计
　　
　　0、前言
　　随着城市化的步伐越来越快，城市建筑以高层建筑为主，而且其发展变化也是越来越多样化，对于设计者而言，相应的出现的问题也更加的复杂。随着层数的增加、建筑高度的变化，利用结构空间作用，在原来的几种简单的结构的基础上又发展了简中简结构、多简结构和巨型结构等多种更加复杂的多种结构体系。结构体系的变化直接决定了高层建筑的载荷能力、抗侧移刚度、抗震性能、材料用量和造价情况。不同结构体系，适用于不同层数、高度和功能的建筑。
　　1、高层建筑结构的设计的几个重点考虑因素
　　1.1水平荷载是设计的关键因素
　　一般来说，对于结构的竖向构件而言，产生的轴力和弯矩都是来自于结构自身重力荷载及楼面的堆积荷载，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由力矩在竖向构件作用引起的轴力，是与结构高度的两次方成正比；另一方面，对一定高度的结构来说，竖向荷载主要是自重产生，大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而产生较大变化。
　　1.2轴向变形对于结果的影响
　　高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。
　　1.3结构延性是重要设计指标
　　相对于较低楼房而言，高层建筑结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别些需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
　　2、概念设计与理论计算概念设计对结果的影响
　　概念设计与理论计算概念设计是指一些难以做出精确力学分析或在规范中难以具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，做出判断，以便采取相应措施。概念设计与设计者的经验有很大关系。高层建筑结构的抗震设计计算前对结构进行了一定程度的假设。目前设计者可利用的分析的手段很多，可利用性也不断提高，分析的原理不断完善，但是由于地震作用的复杂性和不确定性，地基土影响的复杂性和结构体系本身的复杂性，可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多。尤其是当结构进入弹塑性阶段之后，会出现构件的局部开裂，甚至破坏，这时结构就很难用常规的计算原理去进行内力分析。从实际操作上来看，在设计中把握好高层建筑的概念设计，从整体上提高建筑的抗震性能，消除结构中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和结构措施，才能设计出具有良好抗震性能的高层建筑。将注重概念设计作为高层建筑结构的最高原则提出，其主要内容为：（一）应特别重视建筑结构的规则性(包括平面规则性和竖向规则性)。（二）合理选择建筑结构体系包括：明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；避免因部分结构构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力、风载和地震作用的能力；结构体系应具备必要的承载能力和良好的变形能力，从而形成良好的耗能能力。（三）采取必要的抗震措施提高结构构件的延性。3、结构整体稳定和倾覆问题
　　3.1整体稳定
　　建筑物在较大的竖向荷载作用下，由于构件的竖向压力造成屈服，可能造成整体失稳。目前我国国内高层建筑层数大部分都在40层以下，刚度很大，整体稳定一般不存在问题。当高宽比h/b>5时，就应该验算其整体稳定性。
　　3.2倾覆问题
　　一情况下高层建筑的总高度较大，但是基底面积小，在水平荷裁和水平地震作用下，很容易产生很大的倾覆力矩，如果倾覆力矩超过稳定力矩，结果就是建筑物会发生倾覆的危险，此方面地层灾害实例也已证实。在抗倾覆验算中，倾覆力矩按风荷载或地震作用计算其设计值。计算稳定力矩时，楼面活载取50％，恒载取90％，要求抗倾覆的稳定力矩不小于倾覆力矩设计值。对于高度超过150m的高层建筑应进行整体稳定性及抗倾覆验算。4、考虑轴向变形的因素
　　轴向变形任何建筑结构在外力作用下产生的位移都包括弯曲、轴向变形和剪切变形三部分。在建筑高度较低的结构设计中，一般只考虑弯曲变形，而忽略铀向变形和剪切变形的影响，因为一般结构构件的轴力和剪力产生影响较小，可不考虑。一般高层建筑由于层数较多、轴力很大，再加上沿高度积累的轴向变形变化明显，轴向变形会对高层结构的内力产生很大影响。另外，高层结构中的很多剪力墙的截面尺寸也很大。因此，剪切变形的影响是一个很重要的影响因素。采用单一框架体系和框架—剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴向压力一般都会大于边柱的铀向压力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当建筑结构很高时，此种差异的轴向变形将会达到较大的数值，其产生的后果相当于连续梁的中跨支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值变小，跨中正弯矩值和支座端负弯矩值增大。因此在高层建筑设计中，轴向变形应该给予充分重视。在高层建筑结构的力学模型计算中，根据所选计算模型的不同，所计算的构件变形结果也是有区别的。对于简化的计算方法，一般只计算最基本的变形。采用计算机软件计算时，计算的变形因素要给予更多。采用空间协同工作方法时，考虑了梁的弯曲变形、剪切变形，考虑了柱、剪力墙的弯曲变形、剪切变形和轴向变形；当用完全的三维空间分析方法时，除考虑了前面全部变形外，还增加了梁、柱、剪力墙的扭转变形，以及剪力墙墙体截面的翘曲变形。5、结构侧移的影响因素
　　侧移成为控制指标与低层或多层建筑不同，结构侧移是否满足要求已成为高层建筑结构设计的一个重要关键因素。随着建筑高度的不断增加，水平荷载作用下，结构侧向变形也迅速增大，结构侧移与高度变化的关系是四次方的关系变化相关。在高层建筑结构设计中，不仅要求结构强度满足要求，还要求具有足够的抗倒移刚度，以保证结构在水平荷载作用下所产生的水平位移可以限制在一定范围内。侧移是高层建筑的要害问题，控制结构侧移主要从如下几个方面考虑：（一）侧移过大，使建筑物内的居住者在感觉和视觉上产生不适应，控制结构侧移是保证建筑物正常使用的需要。（二）侧移过大，使建筑物内的填充墙、建筑装饰和电梯轨道等服务设施产生裂缝、变形，甚至损坏。（三）侧移过大，将导致结构开裂或损坏，进而危及结构正常使用和耐久性，实际上控制结构构件裂缝就是限制结构侧移。（四）一般地震对建筑物的破坏大小，主要取决于结构侧移量的大小，如果结构变形能力难以抵御地震输入能量对结构变形的影响，结构则会产生较大变形或破坏。6、抗震设计在抗震设计过程中，要求更高在高层建筑结构的抗震设防设计时，必须考虑正常使用时的荷载情况，如竖向荷载、风荷载，还必须使建筑结构具有良好的抗震能力，做到小震不坏、中震可修、大震不倒。对于结构的延性的计算是十分困难的，结构或构件的延性是通过一系列的构造措施实现的。在高层建筑设计过程中，为使设计的结构具有很好的延性，构件必须有足够大的截面尺寸，柱的轴压比、梁和剪力墙的剪压比、构件的配筋率都要适宜，应遵照规范、规程的要求。7、结束语高层建筑是城市发展程度的体现，是城市向空间发展的水平的缩影，合理而出色的高层建筑，并非是排斥城市空间的孤立存在的建筑，而是一个与人类息息相关的空间，融入人文的内容，并且不破坏城市空间的和谐发展。完美的高层建筑要考虑使用者除了居住以外的需要，并且充分考虑到以城市的公共利益为发展方向。保证上述思想的顺利贯彻，才能让城市高层建筑和谐发展。
　　
　　参考文献：
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　　[2]任旭，高层建筑连体结构设计探讨[J]；工业建筑，2006年S1期
　　[3]吴智刚，高层建筑结构设计要点分析；中华建设，2011年第09期
　　[4]阎友来，高层建筑结构设计要点与常见问题探讨；城市建设理论研究，2011年第24期

《浅析高层结构设计要点分析》

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