高层建筑结构设计与计算相关问题初探

高层建筑结构设计与计算相关问题初探摘要：随着城市规模的不断扩大，很多高层建筑的复杂性不断加深，同时也出现了大量的不规则建筑，这些建筑为了能够满足新规范的要求，都必须经过严格的结构设计以及计算。本文主要分析了高层建筑结构设计及其计算方面的问题，提出了一些作者自己的观点，供同行参考。

关键词：高层建筑结构设计结构计算

中图分类号：[tu208.3] 文献标识码：a 文章编号：

0 引言

我国颁布的高规对高层建筑的结构可靠性和设计计算都做了大量的规定，与以往的规范相比有了较大的补充和更新，尤其是在结构的抗震和规则性方面加大了要求力度。当下，人们生活水平的提高也使得建筑物的多样性变得普遍，这无疑会增加结构设计的复杂性，对于不规则高层建筑的设计，无法做到一次完成。因此，设计人员将面临如何合理设计和计算高层建筑结构的问题。针对此问题，本文从概念设计、结构整体计算以及构件的优化等方面展开了相关论述。

1 高层建筑结构的概念设计

概念设计对于结构设计人员来说是非常重要的，如果他们一味的依赖于计算机，忽视了概念设计的重要性，是不会得到较好的结构设计方案的。进行高层建筑结构的概念设计的基本思路是：在进行初步设计以前，针对工程项目进行总体方案的设定，主要依据是

建筑物的主要功能和意图，当地的建造水平以及材料的来源等，这样一来，就能够使得下一步有据可依，在设计施工或者是维护时实现好快省。对于高层建筑，具有一些特点：通常投资的规模较大，对技术的要求比普通建筑要高，同时施工起来相对复杂，这就造成了就算在结构上能够实现最优化，但是在综合经济上可能不是最优的选择。结构工程师应该在众多的结构中合理选取，同时，也可以进行几种体系的组合作为备选，这一工作也是概念设计的内容[1]。

2 高层建筑结构计算与分析

选定结构方案以后，就应该对结构进行相关计算。根据选择的结构方案，找到与之相应的结构模型以及结构设计的专用软件；在进行计算之前，设计人员需要对结构的参数以及具有特殊功能的一批构件进行合理的设置，其基本依据是具体的规范和软件手册对参数的定义。

2.1 确定结构参数

1）选用的混凝土通常设置其容重为27～30。考虑到需要经过粉刷以及装饰面层，梁、柱以及剪力墙等的容重设置为25knm3以上，如果采用贴面砖或者是花岗石，容重会更大，因此，设计人员应该综合考虑各种因素，选择较为合适的混凝土容重。2）进行周期折减系数的计算。进行折减系数的计算可以使得地震的作用增大。在计算时，应该根据本工程填充墙的多少来确定，应该尽量取小值。3）梁端弯矩调幅系数的计算。根据高规的要求，现浇框架通常取0.85。如果不进行梁端弯矩的调幅，就会很容易造成梁端负弯矩钢

筋非常大，钢筋的数量也会剧增，给混凝土的浇筑造成不利影响，同时，配筋率也极容易大于2.3个百分点，另外，通常情况下，由于梁端负弯矩相比于梁跨中下部弯矩要大一些，如果不进行调幅，很容易造成不安全。例如：如果梁端负弯矩为800kn·m，同时，梁跨中弯矩为400kn·m，选择系数为0.85的梁端弯矩调幅系数，可以计算出梁跨中弯矩为：

400+800×0.15=400+420=520kn·m （1）

如果这时不对梁端弯矩的调幅进行考虑，直接将梁跨中弯矩增大为原来的1.2倍，那么，梁跨中弯矩：

400×1.2=480（2）

该数值依然比520kn·m小，将造成梁下部钢筋小于合适值[2]。

2.2 结构整体计算

对高层建筑结构的整体性进行控制的指标较多，比如：适用高度、高宽比、周期以及位移比等等。下面对这几项分别说明：1）确定合适的高度和高宽比。在高规中，对高层建筑适用高度以及高宽比的最大值都做了规定，同时，不同的结构体系也有不同的标准，这样就能够宏观的控制结构的刚度和整个系统的稳定，对承载能力的确定和工程的合理经济也有一定的参考价值。对于带有较为大型的裙房建筑来说，可以只按照裙房以上部分来对高宽比进行计算。而对于带悬挑的结构来说，在计算结构房屋的宽度时，应该将悬挑宽度厚除去。2）计算周期比。作为结构扭转效应的一项重要指标，周期比的计算是非常重要的，主要作用在于能够更加有效和合理的

布置抗侧力构件的平面，防止结构出现较大的扭曲。当结构分别以扭转为主和以平动为主，两者的第一自振周期非常接近时，在振动耦联的作用下，结构的扭转效应将会大大增加，如果没有合理的设计周期比，就必须将结构周边构件的刚度加大，当结构的刚度满足要求时，就需要将中间构件的刚度降低，以满足结构要求。可以通过对振型方向因子的计算来判断扭转为主的第一自振周期。3）计算位移比。对于结构平面不规则性的控制来说，计算位移比是一项重要指标。要注意在新规范中，对位移比限值规定的前提是刚性板条件下[3]。

2.3 合理判断计算结果

为了得到合理的计算结果，需要选定几个参数，进行合理取值，保证后续结果的有效性。比如：结构基本周期、最大地震力作用方向以及振型组合数等等，都需要预先进行试算。1）在计算风荷载时，需要确定结构的基本周期，其大小也直接影响整个结构的防震功能。基本原则是保持与卓越周期的不一致，防止共振的产生。2）在进行抗震计算时，要考虑到振型的数量，也就是振型的组合数，太小的组合数会无法反映出模型实际需要的振型数量，造成结果的失真；太大的组合数会造成时间的浪费，也会造成计算结果的失真，因此，应当合理取值。从扭转效应的角度来考虑，应当将振型数设计在15以上，同时，振型参与计算的质量应该大于总量的90%，当然，这并不意味着振型组合数越大越好。3）在正常的计算结果中，振型曲线大部分表现为连续光滑的曲线，如果在竖向上，刚度和质

量出现了明显的突变，则振型曲线上将会表现出畸变点；而如果没有出现突变，则当出现外力作用时，内力位移等也应该是均匀的变化，而不是突变。

3 结构构件的优化设计

计算和调整完整体结构之后，就应该计算单个构件的内力，相关的设计人员需要对构件的截面进行优化，保证截面大小以及形状的合理性，同时满足受力要求，做到材料的节省使用，需要注意的是，在优化过程中，不能改变整体结构的合理性，不能盲目的将构件的截面尺寸较小。

4 结语

综上所述，高层建筑结构设计与计算是一项十分严密的工作，需要设计人员有较强的工作责任心和认真的态度，严格按照规范进行设计工作，防止违规设计。同时，也强调在工作中不断的积累经验，对自己的每一项工程都做到一丝不苟，才能不断进步，真正实现高层结构的合理设计。

参考文献：

[1]张维斌．多层及高层钢筋混凝土结构释疑及工程实例[m]．北京：中国建筑工业出版社，2005.

[2]方鄂华．高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[m]．北京：机械工业出版社，2004.

[3]杨星，赵兵．建筑结构设计计算步骤探讨[j]．建筑结构，2005，11（11）．