关于高层建筑结构设计的探讨

关于高层建筑结构设计的探讨
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。

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、立面体形、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。

关键词：高层建筑结构设计探讨
中图分类号：tu318文献标识码： a 文章编号：
1高层建筑结构设计的概念
高层建筑结构设计是针对高层建筑特性的建筑结构设计:在满
足安全、适用、耐久、经济和施工可行的要求下，按有关设计标准的规定，对建筑结构进行总体布置、技术经济分析、计算、构造和制图工作，并寻求优化的过程。

2高层建筑结构设计的特点
2.1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性的不同而有较大的变化。

2.2侧移成为控制指标
与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼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。

2.3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、大震不倒。

2.4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，跨中正弯矩之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，会得出偏于不安垒的结果。

2.5结构延性是重要设计指标。

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，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。

3高层建筑结构设计方面的原则
3.1选用适当的计算简图：结构计算式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。

3.2选择合适的基础方案：基础设计应根据工程地质条件，上部结构类型与载荷分布，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的类型。

3.3合理选择构方案：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。

3.4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。

3.5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、强压若拉原则”，注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的执行段锚固长度；考虑温度应。

4高层建筑的结构体系
4.1框架-剪力墙体系。

当框架体系的强度和刚度不能满足要求时,往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架,便形成了框架-剪力墙体系。

在承受水平力时,框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。

在体系中框架体系主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平剪力。

框架-剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。

剪力墙的设置,增大了结构的侧向刚度,使建筑物的水平位移减小,同时框架承受的水平剪力显著降低
且内力沿竖向的分布趋于均匀,所以框架-剪力墙体系的能建高度
要大于框架体系。

4.2剪力墙体系。

当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时,即形成剪力墙体系。

在剪力墙体系中,单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。

剪力墙体系属刚性结构,其位移曲线呈弯曲型。

剪力墙体系的强度和刚度都比较高,有一定的延性,传力直接均匀,
整体性好,抗倒塌能力强,是一种良好的结构体系,能建高度大于框架或框架-剪力墙体系。

4.3筒体体系。

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系。

筒体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类型。

筒体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震能力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

5高层建筑结构的相关问题分析
5.1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级高度以为，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。

5.2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。

5.3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方面，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。

5.4 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。

6结语
近些年来，我国的高层建筑建设发展迅速。

但从设计质量方面来看，并不理想。

在高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择。

高层建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析掌握的知识处理实际建筑设计中遇到了各种问题。

参考文献：
[1]赵西安．现代高层建筑结构设计[m]．北京：科学出版社，2009.
[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）.
注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。