浅议关于高层建筑结构设计研究分析

 

　　关键词：高层建筑 方案设计 结构分析

 

　　Abstract: with China's rapid economic growth in the city, more and more high-rise buildings, which is a development trend. Through the design of high-rise building structure characteristic, elaborated the system structure design of high-rise building structure design, and analyzes the problems.

 

　　Key words: high-rise building, scheme design, structure analysis

 

　　中图分类号 : TU3文献标识码： A 文章编号：

 

　　引言

 

　　随着我国经济的快速增长，城市规划用地日趋紧张，发展高层建筑是城市未来的趋势。高层建筑坚实的物质基础是随着科学技术进步和经济发展带来的。如今建筑功能的的多样化使人们提出了更多和更复杂的要求，出现了许多复杂的不规则的高层。在建筑行业内部有些人员忽略了其结构设计的根本所在，有些设计人员过分依靠设计软件，盲目的生搬硬套，造成建筑结构设计无法一次性完成。所以，本文对建筑结构设计、计算分析等问题深入的进行一次分析探讨，希望能对建筑结构设计的同行起到积极的作用。

 

　　1、高层结构方案的设计

 

　　现在许多建筑结构工程师太多依赖结构设计软件，对设计软件的结果盲目的生搬硬套，结构工程师对结构的体系、结构的布置符不符合规范，或者算出的信息和实际的情况是不是一致，是不是真实可靠都只是用结构计算软件来设计和计算，虽然能设计和计算出一个结果，但是这些的结构设计结果是需要设计师来判断正确与否的，这就需要结构工程师自身有较高的结构水平、对软件的深入了解以及对规范的熟悉程度。

 

　　在实践中，设计人员的建筑设计方案和结构设计是相互协调、相互影响的，在初步设计之前做的工程项目来设定一个总体方案是概念设计的目的，根据使用功能、设计意图、现场的建筑条件、材料的来源以及业主对项目资金的使用等许多方面因素的要求，这样对下一步的设计、施工和维护使用能做到又快又省力。根据高层建筑结构的自身特点，比如设计施工比较复杂或者对施工技术要求比较高，投入资金又很大，加上地基结构的特殊性，这样结构的优化设计并不能带来综合经济效果的最优化，例如在高层建筑的深基坑支护设计施工过程中，直接放坡不需要用支护来设计的结构方案是比较经济的的方法，但是后果可能会出现深基坑变形和变大，造成施工工期延长导致资金回报慢一些因素，第二，选择一个适合的结构设计体系也是要在建筑结构概念设计过程中解决好的问题。目前来说，高层建筑结构体系分几种类型：①剪力墙结构；②框架结构；③框架剪力墙结构④框架核芯筒结构；⑤筒中筒结构；在这么多的结构体系中，让设计师们可供选择一种或几种结构体系用来备选，在建筑结构概念设计时确定。透过建筑结构的计算和各个方面的技术经济比较确定最为经济合理的结构设计体系。

 

　　2、高层建筑结构设计分析

 

　　2.1、模型的计算

 

　　建筑结构设计的重要内容之一是结构分析，通过计算来确定结构在各种作用下的效应，研究的结论要能说明和评估真实结构在预设作用下的效应。结构的安全性、经济学和实用性是否科学合理都是通过结构分析来确定的。结构分析的重中之重都是在于通过模型的计算分析来确定的，它包含理论的计算、合理的选择计算简图，这是研究分析结构的基础和重点。

 

　　在实际中，不管模型分析是哪种，都无法完全精确的描述其真实的结构，都是在实际的结构中取一定程度的近似值。通常情况下，建立模型结构分析时，都会用一些假定，比如结构材料均质连续都是假设的，这样的假定对结构宏观力学性能不会产出明显的误差，整体的性能的效应都是主要结构构件参与的。但是次要构件与非结构构件对性能的影响都是假定忽略了，就是说忽略了结构中作用较小构件的刚度，通过假定，根据构件在结构整体性能中应发挥的作用来进行确定是否能忽略，可以忽略相对和对主体影响较小的变形。

 

　　2.2、建筑结构总体布置

 

　　我们通过选择合理的结构体系以及较好的结构布置，使建筑结构设计更加合理科学。往往完美的建筑设计方案的效果也都是需要结构不断的想办法去实现的，但是有很多的建筑方案有时候会要求结构牺牲安全性和经济性去达到建筑的美观效果，我们应该深入去分析结构的安全性，原则性的问题绝对不能迁就建筑，以防止造成结构功能和安全上的问题。结构布置要全面考虑以下几个因素方面:

 

　　⑴、控制结构的侧向变形

 

　　建筑的结构一般都要同时承受竖向荷载、水平荷载。水平荷载会使侧移随结构的高度增加而变大，因此，在水平荷载的作用下，如果建筑高度超出一定的范围后，就会造成结构发生过大侧移和相对的位移，有时甚至会严重地破坏结构构件，所以，我们要把控制侧向位移作为高层建筑结构设计的重点和难点来解决，一般情况下，要以限制结构的高度和高宽比为控制手段。

 

　　⑵、平面布置

 

　　平面布置的选择主要是根据建筑工程的实际情况来确定，如果是独立的结构单元，则采用形状较为简单，而且要根据相对应、相协调的原理，刚度和承载力分布要呈现出比较均匀的形状。此外，根据抗震设计的要求，高层建筑单个的结构单元长度要控制在一定的范围内，不能太长，否则在发生地震时，结构的两端可能会出现反相位的振动，这将会导致建筑被过早地破坏，同时威胁到人们的安全。

 

　　⑶、竖向布置

 

　　为了避免过大的外挑和内收，结构的竖向布置应遵循形体规则、刚度和强度沿高度均匀分布的原则，而在同一层的楼面，要设在统一标高处以防止错层和局部夹层的情况出现。而在面对高层建筑时，还要注意解决结构刚度和强度发生变化的情况，对于这种情况，应逐渐变化。

 

　　⑷、缝的设置和构造

 

　　建筑结构的总体布置应该要考虑到沉降、温度收缩和形体复杂对结构带来的不利影响。可以利用沉降缝、伸缩缝或防震缠把结构分成若干个独立单元，以消除沉降差、温度应力和形体复杂对结构的不利影响。但如果设缝，就会对建筑的使用要求、立面效果、防水处理带来不便。因此，在设缝上必须要谨慎对待，尽量能从总体布置上或构造上采取其他有效的措施来减少沉降、温度收缩和形体复杂引起的问题。

 

　　2.3、理论计算

 

　　建模是计算理论的一个重要组成部分，对建筑结构设计的研究理论计算分为两种：①线性理论；②非线性理论。其中以第一种线性理论比较成熟，是目前结构工程师们对建筑结构设计时普遍运用的一种计算理论。在结构设计的承载力状态中，极限和正常使用极限状态都是普遍常用其中。非线性计算理论又分为两种：①材料非线性；②几何非线性；第一种是材料、构件以及截面的本构关系。比如荷载与位移，弯短与曲率，应力与应变等等都是非线性的，对于几何非线性，通常都是结构变形产生内力的二阶效应造成荷载效应与荷载之间出现的这种关系。

 

　　在选择两种计算理论的分析时还是要根据项目的具体情况而定，通常采用线性计算理论分析，因为在一般建筑结构设计时，使用其分析比较简便。不过在遇到建筑结构跨度大，或者超高层建筑结构设计时，二阶效应会使结构变形比较大，所以还是要采用非线性计算分析。

 

　　2.4、建筑结构设计的方法

 

　　在建筑结构设计时，解析和数值是结构分析时采用的两种数学方法，通常简单的结构模型求解中适用于此方法，但是遇到建筑结构复杂，一个数学模型不能被很多建筑结构抽象成一个可以用连续函数表达，并且边界条件也无法用连续函数表达的情形下，这样就不能选择运用这个方法，所以在此情形下就要用数值法求解，数值法又分为有限条，有限单元，有限差分等方法，就目前来看，应用较为广泛是有限单元法，方法原理是将建筑结构拆分一个有限单元组合体，这样方便剖析真实的建筑结构和模拟，一般情形下可以模拟几何形状复杂结构解析，单元可以按照不同的连接方式组合在一起，但其本身有可以有不同的几何形状。在建筑设计时，结构工程师对于有限单元结构分析的常用软件有ETABS，PKPM，SAP，ANSYS等系列。

 

　　2.5、建筑结构概念设计

 

　　建筑概念设计是在研究设计方案过程时，通过我们自身具备的经验基础，选择和布置好结构体系，能准确把握好其结构特性，能保证在预期的范围内把结构在预设的各项作用下控制住，其中的内容包含：①结构选型，②结构平面，③竖向布置，④结构侧向刚度控制，⑤温度作用考虑等。概念设计是结构工程师必须掌握也是很难完全掌握的能力之一，在普遍运用计算机设计的今天，概念设计理念对于判断结构设计的计算结果的合理性，正确性有很大的作用。

 

　　三、小结

 

　　高层建筑混凝土结构设计是一个复杂、漫长、重复的过程，如果不想让整个设计过程中变得更复杂或者设计出的结果造成不安全的因素都必须要仔细和有耐心，不能出现遗漏和错误。总之，作为结构工程师，我们要从自身做起，要求自己严格按照规范规定进行设计，有时候也要拒绝和不能妥协业主方、投资方提出的无理要求而进行违规操作设计，负责任、认真的工作态度加上日积月累的设计经验都是成为优秀设计师的结构工程师，只有在不断学习，不断总结经验，对我们自己设计的每一个项目做到负责任的精益求精，才能真正把结构设计做好，成为一个优秀的结构工程师。

 

　　参考文献：

 

　　[1]中华人民共和国国家标准．建筑结构荷载规范（GB50009-2001）[S]．北京：中国建筑工业出版社，2001.

 

　　[2]中华人民共和国行业标准．高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

 

　　[3]李玉民《浅谈超高层建筑结构设计问题》[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005.