高層建筑結構設計要點與常見問題解析

劉英麗

摘 要： 近年來，建筑高度的不斷增加, 風格的變化多樣， 給高層結構設計提出了新的課題和挑戰。 本文就結構設計中特別要注意的幾個問題進行了分析。

關鍵詞： 高層建筑; 結構設計;常見問題

中圖分類號：TU97 文獻標識碼： A

由于社會經濟的迅速發展和建筑功能的多樣化，建設用地日趨緊張和城市規劃的需要，使得城市建筑物不斷向高層發展，同時高層建筑結構體系也變得越來越復雜，這就需要設計人員在進行高層建筑結構設計時依靠自己掌握的知識、根據具體情況來分析和解決可能遇到的各種問題。

一、高層建筑結構設計特點

1水平荷載成為決定因素。一方面， 因為樓房自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值， 僅與樓房高度的一次方成正比； 而水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎向構件中引起的軸力， 是與樓房高度的兩次方成正比； 另一方面，對某一定高度樓房來說， 豎向荷載大體上是定值， 而作為水平荷載的風荷載和地震作用， 其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

2 軸向變形不容忽視。高層建筑中， 豎向荷載數值很大， 能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影響造成連續梁中問支座處的負彎矩值減小， 跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產生影響， 要求根據軸向變形計算值對下料長度進行調整； 另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

3 側移成為控制指標。與較低樓房不同， 結構側移已成為高層建筑結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加， 水平荷載下結構的側移變形迅速增大， 因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

4 結構延性是重要設計指標。相對于較低樓房而言， 高層建筑結構更柔一些， 在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力， 避免倒塌， 特別需要在構造上采取恰當的措施， 來保證結構具有足夠的延性。

二、根據不同類型高層建筑， 選擇合理的結構體系

1結構的規則性問題 新舊規范在這方面的內容出現了較大的變動，新規范在這方面增添了相當多的限制條件， 例如： 平面規則性信息、 嵌固端上下層剛度比信息等， 而且， 新規范采用強制性條文明確規定 “建筑不應采用嚴重不規則的設計方案” 。因此， 結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意， 以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

2結構的超高問題 在抗震規范與高規中， 對結構的總高度都有嚴格的限制， 尤其是新規范中針對以前的超高問題， 除了將原來的限制高度設定為 a 級高度的建筑外， 增加了 b級高度的建筑， 因此， 必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為 b級高度建筑甚或超過了 b 級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。 在實際工程設計中， 出現過由于結構類型的變更而忽略該問題， 導致施工圖審查時未予通過， 必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、 造價等整體規劃的影響相當巨大。

3嵌固端的設置問題 由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防， 嵌固端有可能設置在地下室頂板， 也有可能設置在人防頂板等位置， 因此， 在這個問題上， 結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面， 如： 嵌固端樓板的設計、 嵌固端上下層剛度比的限制、 嵌固端上下層抗震等級的一致性、 在結構整體計算時嵌固端的設置、 結構抗震縫設置與嵌固端位置的協調等等問題， 而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。

4短肢剪力墻的設置問題 在新規范中，對墻肢截面高厚比為 5～8的墻定義為短肢剪力墻， 且根據實驗數據和實際經驗， 對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制， 因此， 在高層建筑設計中， 結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。

三、高層建筑結構分析和計算中應注意以下問題

在結構計算與分析階段， 如何準確， 高效地對工程進行內力分析并按照規范要求進行設計和處理， 是決定工程設計質量好壞的關鍵。由于新規范的推出對結構整體計算和分析部分相當多的內容進行了調整和改進， 因此， 結構工程師也應該相當地對這一階段比較常見的問題有一個清晰的認識。

3.1 結構選型。 3.1.1 結構的規則性問題。新舊規范在這方面的內容出現了較大的變動， 新規范在這方面增添了相當多的限制條件， 例如：平面規則性信息、 嵌固端上下層剛度比信息等， 而且， 新規范采用強制性條文明確規定 “建筑不應采用嚴重不規則的設計方案?！币虼?，結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。 3.1.2 結構的超高問題。在抗震規范與高規中，對結構的總高度都有嚴格的限制， 尤其是新規范中針對以前的超高問題， 除了將原來的限制高度設定為 a 級高度的建筑外，增加了 b 級高度的建筑， 因此， 必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為級高度建筑或超過了 b 級高度， 其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中， 出現過由于結構類型的變更而忽略該問題， 導致施工圖審查時未予通過， 必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、 造價等整體規劃的影響相當巨大。

3.2 地基與基礎設計 在地基基礎設計中要注意地方性規范的重要性問題。 由于我國占地面積較廣，地質條件相當復雜， 作為國家標準， 僅僅一本《地基基礎設計規范》無法對全國各地的地基基礎都進行詳細的描述和規定， 因此， 作為建立在國家標準之下的地方標準。地方性的 “地基基礎設計規范” 能夠將各地方的地基基礎類型和設計處理方法等一些成熟的經驗描述和規定得更為詳細和準確，所以，在進行地基基礎設計時，一定要對地方規范進行深入地學習，以 避免對整個結構設計或后期設計工作造成較大的影響。

3.3 非結構構件的計算與設計。 在高層建筑中， 往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內的非結構構件。對這部分內容， 尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構件進行設計時， 由于高層建筑的地震作用和風荷載均較大， 因此， 必須嚴格按照新規范中增加的非結構構件的計算處理措施進行設計。

四、高層建筑結構設計中的扭轉問題 建筑結構的幾何形心、 剛度中心、 結構重心即為建筑三心,在結構設計時要求建筑三心盡可能匯于一點,即三心合一。結構的扭轉問題就是指在結構設計過程中未做到三心合一, 在水平荷載作用下結構發生扭轉振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用而發生的扭轉破壞,應在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局,盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下,高層建筑扭轉作用的大小取決于質量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻,減輕結構的扭轉振動,應使建筑平面盡可能采用方形、 矩形、 圓形、 正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下,由于城市規劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制,高層建筑不可能全部采用簡單平面形式,當需要采用不規則 l 形、 t 形、 十字形等比較復雜的平面形式時,應將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規范允許的范圍之內,同時,在結構平面布置時,應盡可能使結構處于對稱狀態。建筑結構的振動周期問題包含兩方面:①合理控制結構的自振周期； ②控制結構的自振周期使其盡可能錯開場地的特征周期。

五、側向位移的限值 高層建筑結構的水平位移隨著高度增長而迅速變大，為防止位移過大， 規范對頂點位移和層間位移都作了一定的限制。 控制頂點位移u/h的主要目的是保證建筑內人體有舒適感和防止房屋在罕遇地震時倒塌。但控制房屋在罕遇地震時倒塌與否的條件是結構極限變形能力而不是u/h限值。另外， 為使結構具有較好的防倒塌能力， 應在結構計算中考慮相關效應?？刂茖娱g位移△u/h的主要目的是防止填充墻、 裝飾物等非結構構件的開裂和損壞。

結語

近年來，高層建筑發展十分迅速，建筑造型新穎獨特，建筑物的高度與規模不斷增加。隨著高層建筑進一步的發展，滿足高層建筑的形式、材料、力學分析模型都將日趨復雜且多元化。實踐表明在高層建筑的結構設計與施工過程中，設計、技術人員只有概念清晰，措施得當，才能不斷地完善和發展高層建筑。