现代高层建筑结构设计

浅述现代高层建筑结构设计

摘要: 随着高层建筑在我国的迅速发展，建筑高度的不断增加，建筑类型与功能愈来愈复杂，结构体系的更加多样化，高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。以下是在设计过程和设计管理过程中对高层建筑结构设计一些浅薄的认识。

关键词: 高层建筑；结构设计；问题

中图分类号：[tu208.3] 文献标识码：a 文章编号：

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。不同结构体系的选择会直接影响建筑的平面布置、楼层数目、各种管道的布置、施工技术要求及投资的多少等。高层建筑结构的设计与低层、多层建筑结构相比较，其结构专业在各专业中占有很更重要的位置，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、施工工期长短和施工技术的要求和投资的高低等。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。高层建筑的数量口渐增多，高层建筑的结构体系也是越来越多样化，高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。

1 高层建筑结构设计的要点

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。高层建筑结构设计的主要特点如下:

(1) 水平力是设计的主要因素: 研究表明，楼房自重和楼面载荷在竖向构件中产生的弯矩和轴力的大小仅与楼房高度的一次方成正比，而水平载荷对建筑产生的倾覆力矩及轴力大小与楼房高度的二次方成正比。因此在高层建筑设计中水平力为设计的主要因素。

(2) 轴向变形不可忽视: 当楼层很高时，由楼房自重产生的轴向压应力可使中柱产生较大的轴向变形，导致连续梁中间支座处的负弯矩值减小，而跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。

(3) 侧移成为控制指标: 建筑结构的侧移随高度的增加而迅速增大( 侧移量与楼层高度的四次方成正比) ，因此结构侧移成为高层建筑结构设计中的关键因素。

(4) 抗震设计要求更高: 高层建筑的抗震设计要努力做到“三水准”的要求，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。要想在建筑结构抗震领域取得突破就必须在结构与地基的材料特性、动力响应、计算理论、稳定标准等方面得到切合实际的发展。

2 高层建筑结构分析与设计方法

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件( 框架、剪力墙、筒体等) 通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定: 弹性假定; 小变形假定; 刚性楼板假定; 计算图形的假定。对于框架－剪

力墙体系来说，框架－剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。框架－剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。

单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的计算方法是平面有限单元法。筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类: 等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理; 等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析; 比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆－薄壁杆系矩阵位移法。

3 高层建筑结构设计应注意的问题

3.1 结构选型

对于高层建筑结构而言，在工程设计的结构选型阶段应注意以下几点:

(1) 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。

(2) 结构的超高问题。在抗震规范与高规中，对结构的总高度都有严格的限制，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 级高度的建筑外，增加了b级高度的建筑，因此，必须对结构的该项控制因素严格注意，一旦结构为b 级高度建筑或超过了b 级高度其设计方法和处理措施将有较大的变化。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。

(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固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题，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。

3.2 结构计算与分析

在结构计算与分析阶段，如何准确，高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理，是决定工程设计质量好坏的关键。由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分相当多的内容进行了调整和改进，因此，对这一阶段比较常见的问题应该有一个清晰的认识。

(1) 结构整体计算的软件选择。目前比较通用的计算软件有: satwe、tat、tbsa 等，但是，由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异，因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。所以，在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件，并从不同软件相差较大的计算结果中，判断哪个是合理的、哪个是可以作为参考的，哪个又是意义不大的，这将是结构工程师在设计工作中首要的工作。否则，如果选择了不合适的计算软件，不但会浪费大量的时间和精力，而且有可能使结构有不安全的隐患存在。

(2) 是否需要地震力放大，考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。该部分内容实际上在新老规范中都有提及，只是，在新规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计

算自振周期折减系数。

(3) 振型数目是否足够。在新规范中增加一个振型参与系数的概念，并明确提出了该参数的限值。由于在旧规范设计中，并未提出振型参与系数的概念，或即使有该概念，该参数的限值也未必一定符合新规范的要求，因此，在计算分析阶段必须对计算结果中该参