高层建筑结构设计研究与探析

　　摘要：随着城市化发展以及建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多。高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性。本文对高层建筑结构设计中的几个问题进行探讨。
　　关键词：高层建筑；结构设计
　　引言
　　我国改革开放之后，由于综合国力的不断提高，房地产业迅猛发展，建筑业已成为社会支柱产业之一。由于经济的发展，加之土地资源宝贵，所以高层建筑更是如雨后春笋般迅速发展，数量剧增。而目前的工程设计领域中，设计人员忙于应付大量的具体工作，往往不够重视结构经济性问题，导致同一工程不同人设计，其工程造价可能差别很大，造成不必要的浪费。这对于经济实力并不发达、尚处于第三世界发展中国家的中国来说是一个亟待解决的问题。
　　一、高层建筑结构设计的特点
　　高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、正面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有；
　　1、水平力是设计主要因素
　　在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力特性的不同而有较大的变化。
　　2、侧移成为控制指标
　　与较低楼房不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
　　3、抗震设计要求更高
　　有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、中震可修、大震不倒。
　　4、轴向变形不容忽视
　　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。
　　5、结构延性是重要设计指标
　　相对于较低楼房而言，高层结构更柔一些，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，避免例塌，特别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。
　　二、高层建筑结构设计方面的原则
　　1、选用适当的计算简图
　　结构计算是在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当则会导致结构安全的事故常常发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。
　　2、选择合适的基础方案
　　基础设计应根据工程地质条件，上部结构类型与荷载分布，相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析，选择经济合理的基础方案，设计时宜最大限度地发挥地基的潜力，必要时应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告，对一些缺少地质报告的建筑应进行现场查看和参考临近建筑资料。通常情况下，同一结构单元不宜用两种不同类型的基础。
　　3、合理选择结构方案
　　一个合理的设计必须选择一个经济合理的结构方案，也就是要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷。同一结构单元不宜混用不同结构体系，地震区应力求平面和竖向规则。总而言之，必须对工程的设计要求、材料供应、地理环境、施工条件等情况进行综合分析，并与建筑、电、水、暖通等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时应进行多方案比较，择优选用。
　　4、正确分析计算结果
　　在结构设计中普遍采用计算机技术，但是由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、条件等进行全面了解。在计算机辅助设计时，由于结构实际情况与程序不相符合，或人工输入有误，或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，因而要求结构工程师在拿到电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。
　　5、采取相应的构造措施
　　结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”的原则，注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的直段锚固长度；考虑温度应力的影响力
　　三、高层建筑的概念设计
　　1、高层建筑的平面布置宜简单，规则，尽量减少凸出等复杂平面。更重要的是结构平面布置时要尽可能刚度均匀，即结构的刚心与质心尽量接近，减少地震作用下的扭转，扭转对结构的危害很大。减少结构的扭转，一是减少地震作用引起的扭转，二是增加结构抵抗扭转的能力。平面刚度布置均匀，可减少地震作用下的扭转。而影响平面刚度均匀的主要因素是剪力墙的布置。剪力墙集中布置在结构平面的一端或一侧是不好的。大刚度抗侧力单元偏置的结构在地震作用下扭转大，而对称布置剪力墙、井筒有利于减少扭转。周边布置剪力墙，或周边布置刚度很大的框筒等。都是增加结构抗扭刚度的重要措施。有利于抵抗扭转。为了减少地震作用下的扭转，还要注意平面上质量分布，质量偏心会引起扭转，质量集中在周边会加大扭转。
　　2、结构竖向刚度宜均匀，避免薄弱层，减少鞭梢效应结构宜做成上下等宽或由下向上向心逐渐减小的体型，更重要的是结构的抗侧刚度应当沿高度均匀分布，或沿高度向心逐渐减小。各层剪力墙的布置是影响结构竖向刚度是否均匀的主要因素。框支剪力墙结构是典型的结构竖向刚度有突变的结构，框支层的变形大，为薄弱层，容易发生地震震害。故在结构设计时，不允许将全部或大部分剪力墙设计成框支，必须有一定数量的落地剪力墙，将框支剪力墙转换层以上的剪力较均匀的转移到落地剪力墙，从而避免薄弱层引起的震害。
　　3、在结构计算与分析阶段，如何准确，高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理，是决定工程设计质量好坏的关键。由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分相当多的内容进行了调整和改进，因此，结构工程师也应该相当地对这一阶段常见的问题有一个清晰的认识。在高层建筑中，往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。对这部分内容，尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时，由于高层建筑的地震作用和风荷载均大，因此，必须严格按照新规范中增加的非结构构件的计算处理措施进行设计。
　　四、高层建筑结构的相关问题分析
　　1、结构的超高问题
　　在抗震规范和高规范中，对结构的总高度有着严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度以外，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。
　　2、短肢剪力墙的设置问题
　　在新规范中，对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
　　3、嵌固端的设置问题
　　由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的问题，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
　　4、结构的规则性问题
　　新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案”，因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
　　结束语
　　由于高层建筑结构设计与高层建筑质量息息相关，直接影响到建筑物的使用安全，因此，高层建筑结构设计必须经过认真的分析研究。在进行高层建筑结构设计时，只有综合考虑各项原则，结合建筑物的使用功能，对整体结构进行把握，对结构设计中的重点以及特殊部位进行重点优化设计，才能确保高层建筑的使用安全、舒适，经济合理。
　　参考文献
　　【1】李雪峰．浅谈高层建筑含钢量的控制【J】．山西建筑．2009（12）．
　　【2】于险峰．高层建筑结构设计特点及其体系【J】．建筑技术．2009（24）．
　　【3】王跃辉．高层建筑结构设计研究【J】．天津建设科技．2010,20．

《高层建筑结构设计研究与探析》

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