淺談高層建筑結構設計原則及注意問題

邱海峰 王 龍

（江西五方建筑設計有限公司，江西 贛州 341000）

1 高層建筑結構設計的原則

1.1 選用適當的計算簡圖：結構計算式在計算簡圖的基礎上進行的，計算簡圖選用不當則會導致結構安全的事故常常發生，所以選擇適當的計算簡圖是保證結構安全的重要條件。計算簡圖還應有相應的構造措施來保證。實際結構的節點不可能是純粹的鉸結點和剛結點，但與計算簡圖的誤差應在設計允許范圍之內。

1.2 選擇合適的基礎方案：基礎設計應根據工程地質條件，上部結構類型與載荷分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進行綜合分析，選擇經濟合理的基礎方案，設計時宜最大限度地發揮地基的潛力，必要時應進行地基變形驗算?；A設計應有詳盡的地質勘察報告，對一些缺少地質報告的建筑應進行現場查看和參考臨近建筑資料。通常情況下，同一結構單元不宜用兩種不同的類型。

1.3 合理選擇構方案：一個合理的設計必須選擇一個經濟合理的結構方案，也就是要選擇一個切實可行的結構形式和結構體系。結構體系應受力明確，傳力簡捷。同一結構單元不宜混用不同結構體系，地震區應力求平面和豎向規則。總而言之，必須對工程的設計要求、材料供應、地理環境、施工條件等情況進行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業充分協商，在此基礎上進行結構選型，確定結構方案，必要時應進行多方案比較，擇優選用。

1.4 正確分析計算結果：在結構設計中普遍采用計算機技術，但是由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導致不同的計算結果。因此設計師應對程序的適用范圍、條件等進行全面了解。在計算機輔助設計時，由于結構實際情況與程序不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會導致錯誤的計算結果，因而要求結構工程師在拿到電算結果時應認真分析，慎重校核，做出合理判斷。

1.5 采取相應的構造措施：結構設計始終要牢記“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓若拉原則”，注意構件的延性性能；加強薄弱部位；注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的執行段錨固長度；考慮溫度應力的影響力。

2 高層建筑結構的布置

2.1 結構平面布置

平面形狀簡單、規則、對稱盡量使質心和鋼心重合。偏心大的結構扭轉效應大,會加大端部構件的位移，導致應力集中。平面突出部分不宜過長。扭轉是否過大，可用概念設計方法近似計算鋼心、質心及偏心距后進行判斷，還可以比較結構最遠邊緣處的最大層間變形和質心處的層間變形，其比值超過1.1者，可以認為扭轉太大而結構不規則。

2.2 結構立體布置

結構豎向布置最基本的原則是規則、均勻。

規則，主要是指體型規則，若有變化，亦應是有規則的漸變。體型沿豎向的劇變，將使地震時某些變形特別集中，常常在該樓層因過大的變形而引起倒塌。

均勻是指上下體型、剛度、承載力及質量分布均勻，以及它們的變化均勻。結構宜設計成剛度下大上小，自下而上逐漸減小。下層剛度小，將使變形集中在下部，形成薄弱層，嚴重的會引起建筑的全面倒塌。如果體型尺寸有變化，也應下大上小逐漸變化，不應發生過大的突變。上不樓層收進使得體型較小的情況經常發生，但是對于收進的尺寸應當限制。收進的部位越高，收進后的平面尺寸越小，高振型的影響明顯加大。如果上部樓層外挑，造成“頭重腳輕”的狀況，將使扭轉反映明顯加大，豎向地震影響也明顯變大。

3 高層建筑結構設計中應注意的問題

3.1 高層建筑結構的基礎設計

在對高層建筑結構進行設計的過程中，首先應研究建筑所處的地基基礎對建筑抗震能力的應力影響，再做出適當的選擇，這也是高層建筑結構設計的重要內容。基礎作為高層建筑的根基，也是建筑中最重要的組成部分，若一座建筑沒有堅實的地基為保障，那么再好的上部結構也僅能是一個空架子，甚至會造成上部結構的傾斜或破壞，影響建筑安全度。一般高層建筑基礎類型的選擇較復雜，甚至比上部結構的選型更難，由于高層建筑地基的影響因素諸多，因此要慎重選擇。

3.2 剪力墻的數量及位置

在高層建筑結構中，除了在兩端布置剪力墻筒外，在結構縱向中沿軸線還應再設計兩片剪力墻結構，以提高縱向的剛度、并調整剛度中心位置，盡量使其與質量中心重合，并根據底層結構的截面面積及樓面面積比為5%的比例決定剪力墻的界面厚度及柱截面，通過進一步設計對截面進行調整，以保證其結構分析的結果位移與周期均保持在合理范圍之內。

3.3 高層建筑結構設計的計算軟件選擇

目前應用于高層建筑結構設計的軟件諸多，但是每一款軟件在實際計算模型過程中存在一定差異，就會造成最終計算結果略有不同，因此在對工程的整體結構進行計算及分析時，應根據不同高層建筑的結構類型及各種計算機軟件模型的特點來合理選擇，并對于不同軟件對同一建筑計算結構差異較大的數據中，科學判斷其合理性，最終選定一個數據作為參考，這也是結構設計工程師的必備本領。否則，若選擇了不合適的軟件進行計算，不僅浪費了時間與精力，還會給高層建筑的結構帶來不安全隱患。

4 高層建筑結構設計中的特殊問題

4.1 位移的限值問題

在高層建筑中，決定其定點位移的限值因素不僅是數值大小，還與振動頻率密切相關。一般人對高層建筑中的振動頻率感知是很敏感的，而對震動幅度的大小則相對較弱，因此只要結構的擺動頻率不是過高就能滿足建筑的應用舒適度，對于為了避免由于結構的變形過大而產生的層間相對位移現象，限值在現有的規范中是較嚴格的，可以適當放松其指標規定。再加上各種計算程序在算法中的區別，同一個結構若采取不同的程序進行計算，那么對層間位移數值也會造成較大差異，最主要原因就是每個軟件對“層間位移”的定義各不相同，有些是充分考慮樓層在經過轉動后其最大角點的位移狀況，有些則單指樓層的形心位移情況。對于較規則的高層建筑而言，形心位移是十分重要的，而角點位移則主要反映出結構樓層實際位移狀況，也是工程師在結構設計中應注意的問題。

4.2 高層建筑中豎向剛度變化

為了進一步調整高層建筑高度在豎向的分布問題，混凝土墻的厚度及柱子截面的尺寸沿照豎向進行變化，混凝土的等級也應適當變化在三次左右，并相互交錯處理。而經過大量實踐計算表明，高層建筑中上下樓層的剛度比值至少控制在0.77上，對于結構剛度變化明顯、可能產生突變受力的樓層，如地下室頂板、鋼骨混凝土柱、塔樓大屋面和大洞口的樓層等，都需要加厚樓板，并采用雙層配筋，以提高樓板平面的剛度，發揮剛性橫隔板的作用，保障建筑安全使用。

4.3 結構超高問題的解決

在高層建筑的抗震規范中，對建筑結構的總體高度有嚴格規定，尤其在新規范中對超高問題較為重視，除了將原有對高度的限制設為A級高度的建筑外，還增加了對B級高度建筑的規定，因此在結構設計中需對建筑超高問題引起重視，一旦建筑超過了其規定的等級，在設計和處理方式上都會產生較大變化。

結語

近些年來，我國的高層建筑建設發展迅速。但從設計質量方面來看，并不理想。在高層建筑結構設計中，結構工程師不能僅僅重視結構計算的準確性而忽略結構方案的具體實際情況，應作出合理的結構方案選擇。高層建筑結構設計人員應根據具體情況進行具體分析掌握的知識處理實際建筑設計中遇到了各種問題。

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