关于高层建筑的结构设计探讨

关于高层建筑的结构设计探讨

发表时间：2019-06-12T13:57:51.333Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年4期作者：杨佳宁

[导读] 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。

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。本文就结构设计中应注意的几方面问题进行了探讨。

关键词：高层建筑；高层建筑结构设计；问题

一、高层建筑设计的意义与依据

1.概念设计的意义

高层建筑能做到结构功能与外部条件一致，充分展现先进的设计，发挥结构的功能并取得与经济性的协调，更好地解决构造处理，用概念设计来判断计算设计的合理性。

2.概念设计的依据

高层建筑结构总体系与各分体系的工作原理和力学性质，设计和构造处理原则，计算程序的力学模型和功能，吸取或不断积累的实践经验。

二、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、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。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。

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。

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。

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。

三、高层建筑结构设计的几个问题

1.高层建筑结构受力性能

对于一个建筑物的最初的方案设计，建筑师考虑更多的是它的空间组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。

2.高层建筑结构设计中的扭转问题

建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心，在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点，即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏，应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做到三心合一。

在水平荷载作用下，高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀，减轻结构的扭转振动，应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下，由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不可能全部采用简单平面形式，当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内，同时，在结构平面布置时，应尽可能使结构处于对称状态。

3.高层建筑结构设计中的其它问题

3.1关于转换梁新的《高规》已经明确规定，当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时，应采取在墙与梁相交处设置扶壁柱或暗柱，或在墙内设置型钢等至少一种措施，减小梁端部弯距对墙的不利影响。但有个别工程设计，将框支梁（转换梁）直接垂直支承于一般厚度的剪力墙上，而未对墙体采取上述加强措施。其中有些转换梁是大跨度单跨梁垂直支承于两端墙体；有些转换梁甚至位于支承墙的门洞边；有些支承墙因多层架空，高厚比不满足要求。这类情况，为增强转换梁两端的约束能力，满足其钢筋锚固要求，必须在转换梁两端的墙体中设置墙体端柱或扶壁柱，或加厚墙体设置暗柱（必要时加型钢），并按框支柱的要求进行设计。

3.2新《高规》第10.2.8条，对各抗震等级框支梁纵向钢筋的最小配筋率提高了要求，同时增加了最小面积配箍率的要求，并作为强制性条文。

3.3对一、二级抗震等级的剪力墙底部加强部位控制轴压比，并设置约束边缘构件，是《高规》为保证剪力墙的延性，新增加的要求。在剪力墙约束边缘构件配箍特征值为λv/2的区段，规范允许配置箍筋或拉筋。所设拉筋应同时钩住墙体的水平分布筋（或箍筋）和竖向分布筋，而不能有一部分拉筋仅钩住墙体的竖向分布筋。当此区段的体积配箍率或拉筋的竖向间距不能满足规范要求时，应同时设置箍筋。

3.4新的《抗震规范》和《高规》对各抗震等级剪力墙在各种情况下的厚度与层高（或无支长度）的比值作了更详细的规定，比旧规范要求更严。当难以满足墙体厚高比的要求时，新规范也给出了墙体稳定的计算方法。

3.5高层建筑的嵌固部位新的《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗震规范》）和《高规》第5.3.7条规定“：高层建筑结构计算中，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。”同时规定了嵌固部位相应的构造要求。但并不是要求地下室顶板必须作为上部结构的嵌固部位。有些高层结构不具备这样的条件，如高层主体范围以外的纯地下室地下一层为绿化覆土层，嵌固部位就应降至地下一层楼板，并按此条件进行相应设计。（高层主体外地下一层为绿化，但是上下层刚度比能满足规范要求的话，可以嵌固至首层楼板，可以考虑此部分土体的嵌固作用。基坑侧壁均有回填，对于没有大的纯地下室，基坑侧壁同样是回填土，情况应该是一样的。地下室外墙作为混凝土构件，在进行截面设计时，侧土压力作为地下室外墙的永久荷载，不仅要乘荷载分项系数，而且因为它起控制作用，按新的《建筑结构荷载规范》其分项系数应取》1.35，（与人防荷载组合时仍取1.2）。另外，严格来讲，地下室外墙的侧土压力应按静止土压力计算，但在实际设计中，经常采用主动土压力计算，已经偏小。因此，不能再不乘分项系数。

结论

随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式，材料，力学分析模型都将日趋复杂多元，为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。

参考文献

[1]梅洪元，付本臣.中国高层建筑创作理论发展研究，高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2002.

[2]覃力，高层建筑设计的一种倾向--大规模高层建筑的集群化和城市化，高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2002.