高层建筑结构设计论文

浅谈高层建筑结构设计

【摘要】目前，随着社会经济的飞速发展，城市居民对住房要求日益提高。为了提高土地的综合利用率，高层建筑已成为城市重要地标。本文阐述和分析了高层建筑结构设计的特点及注意问题等方面，以提高高层建筑的安全性与应用率。

【关键词】高层建筑特点；结构设计；注意问题

随着建筑功能及城市规划发展的需要，高层建筑的层数日益增加。由于高层建筑的主要特点表现为体型大、层数高、基础设置深等，因此其结构设计趋向复杂性与多样性。在高层建筑结构设计中，应充分考虑多方面问题，以提高其使用功能与造价成本的性价比。

1 高层建筑结构设计的特点分析

与多层建筑相比，高层建筑设计在整个工程的应用过程中所占地位更重，因为高层建筑的结构形式与其层高、立面、平面、安装设备、施工技术及工程造价等多方面因素密切相关，若高层建筑选取的结构形式不当，势必对其造价及使用功能产生影响，甚至对高层建筑的抗震性有所影响，造成建筑物的安全隐患。

1.1 高层建筑的荷载力

在多层房屋结构设计过程中，由其结构的特殊性决定了其自重所产生的重力与结构设计形式密切相关，而高层建筑中的水平荷载力却占据更为重要的作用，主要由于高层建筑自身所产生的重量在构建中的内力只与其高度的一次方成正比，以力学原理分析，由其水平荷载力对结构产生的倾覆力矩在构建中产生的轴力，与建筑高

度的两次方成正比。其中水平荷载力主要包含地震及风荷载作用，荷载力的大小与结构的动力性质有关，这也是高层结构设计的重点问题。

1.2 结构侧移容忽视

在水平荷载作用下，建筑结构的侧向位移主要随着建筑物的高度增加而增大，再加上新材料和全新建筑形式的产生，侧向位移也逐步增加。如果没有较好控制侧向位移，既会让建筑使用者产生不安全的感觉，或者造成填充墙等装饰的开裂现象，又有可能造成房屋坍塌危险，严重影响高层建筑的整体结构安全。

1.3 轴向变形问题

轴向形变不容忽视：通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了。由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。

轴向变形的影响在高层建筑结构分析中应当考虑，但是，结构所受的竖向荷载并不是在结构完成之后一次施加的。特别是，占竖向荷载绝大部分的结构自重是在施工过程中逐层施加的，轴向压缩变形已在施工过程中分阶段完成，并在各楼层标高处找平，实际上并不完全类似于以上分析的情况。

所以，在考虑轴向变形时，要考虑施工过程中分层施加竖向荷载这一因素，不能简单的按一次加载考虑，否则会出现一些不合理

的计算结果，如邻近剪力墙和筒体的上层框架柱，在竖向荷载作用下出现拉力 ; 上层框架梁出现过大弯矩和剪力等。另外，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。

1.4 结构延性是设计的重要内容

与传统的低层楼房相比，高层建筑的结构更具柔性，因此在地震作用下会产生更大的变形。为了保障建筑的安全性，使其结构在进入塑性变形阶段后仍能保持较强的变形应力，以防止建筑倒塌，尤其在构造中采取科学手段，以保障建筑结构的延性。

2 高层建筑结构设计中应注意的问题

2.1 高层建筑结构的基础设计

在对高层建筑结构进行设计的过程中，首先应研究建筑所处的地基基础对建筑抗震能力的应力影响，再做出适当的选择，这也是高层建筑结构设计的重要内容。基础作为高层建筑的根基，也是建筑中最重要的组成部分，若一座建筑没有坚实的地基为保障，那么再好的上部结构也仅能是一个空架子，甚至会造成上部结构的倾斜或破坏，影响建筑安全度。一般高层建筑基础类型的选择较复杂，甚至比上部结构的选型更难，由于高层建筑地基的影响因素诸多，因此要慎重选择。

高层建筑的基础类型，应根据地基的性质、载荷特性、结构类型及施工条件等综合因素加以考虑，当前很多小高层由于埋置深度的要求，需要设置地下室，而地基的合理选型，也会对地下室设计的实用性、经济性等产生影响。在高层建筑的基础选型过程中，应

制定多个方案以便选择最经济合理的类型。

2.2 剪力墙的数量及位置

在高层建筑结构中，除了在两端布置剪力墙筒外，在结构纵向中沿轴线还应再设计两片剪力墙结构，以提高纵向的刚度、并调整刚度中心位置，尽量使其与质量中心重合，并根据底层结构的截面面积及楼面面积比为5%的比例决定剪力墙的界面厚度及柱截面，通过进一步设计对截面进行调整，以保证其结构分析的结果位移与周期均保持在合理范围之内。

2.3 高层建筑结构设计的计算软件选择

目前应用于高层建筑结构设计的软件诸多，但是每一款软件在实际计算模型过程中存在一定差异，就会造成最终计算结果略有不同，因此在对工程的整体结构进行计算及分析时，应根据不同高层建筑的结构类型及各种计算机软件模型的特点来合理选择，并对于不同软件对同一建筑计算结构差异较大的数据中，科学判断其合理性，最终选定一个数据作为参考，这也是结构设计工程师的必备本领。否则，若选择了不合适的软件进行计算，不仅浪费了时间与精力，还会给高层建筑的结构带来不安全隐患。

3 高层建筑结构设计中的特殊问题

3.1 位移的限值问题

在高层建筑中，决定其定点位移的限值因素不仅是数值大小，还与振动频率密切相关。一般人对高层建筑中的振动频率感知是很敏感的，而对震动幅度的大小则相对较弱，因此只要结构的摆动频

率不是过高就能满足建筑的应用舒适度，对于为了避免由于结构的变形过大而产生的层间相对位移现象，限值在现有的规范中是较严格的，可以适当放松其指标规定。再加上各种计算程序在算法中的区别，同一个结构若采取不同的程序进行计算，那么对层间位移数值也会造成较大差异，最主要原因就是每个软件对“层间位移”的定义各不相同，有些是充分考虑楼层在经过转动后其最大角点的位移状况，有些则单指楼层的形心位移情况。对于较规则的高层建筑而言，形心位移是十分重要的，而角点位移则主要反映出结构楼层实际位移状况，也是工程师在结构设计中应注意的问题。

3.2 高层建筑中竖向刚度变化

为了进一步调整高层建筑高度在竖向的分布问题，混凝土墙的厚度及柱子截面的尺寸沿照竖向进行变化，混凝土的等级也应适当变化在三次左右，并相互交错处理。而经过大量实践计算表明，高层建筑中上下楼层的刚度比值至少控制在0.77上，对于结构刚度变化明显、可能产生突变受力的楼层，如地下室顶板、钢骨混凝土柱、塔楼大屋面和大洞口的楼层等，都需要加厚楼板，并采用双层配筋，以提高楼板平面的刚度，发挥刚性横隔板的作用，保障建筑安全使用。

3.3 结构超高问题的解决

在高层建筑的抗震规范中，对建筑结构的总体高度有严格规定，尤其在新规范中对超高问题较为重视，除了将原有对高度的限制设为a级高度的建筑外，还增加了对b级高度建筑的规定，因此在结