淺談高層建筑結構設計的分析

摘要：隨著我國城市現代化建設的不斷推進，其在建筑結構上，越來越追求高層建筑。而高層建筑在結構的設計上，在設計理念、設計方法上都有嚴格的要求。進而，在對于高層建筑結構設計中，需要綜合考慮大樓的用途和功能進行全面的設和規劃。本文分析了高層建筑結構形式特點的基礎上，從不同角度對加強高層建筑結構設計的思路進行了分析。

關鍵詞：高層建筑;結構設計;設計分析

一、高層建筑結構設計原則

適用、安全、經濟、美觀、便于施工是進行建筑結構設計的原則。一個優秀的建筑結構設計往往是這五個方面的最佳結合。完美的建筑結構設計就是在努力追求這五個方面的最佳結合的過程中產生的，適用、安全、經濟、美觀、便于施工是結構設計人員最終努力的目標，是結構設計的最佳體現。

結構設計一般在建筑設計之后，“受制”于建筑設計，但又“反制”于建筑設計。結構設計不能破壞建筑設計，應滿足、實現各種建筑要求;建筑設計不能超出結構設計的能力范圍，不能超出安全、經濟、合理的結構設計原則。結構設計決定建筑設計能否實現，從這個意義上講，結構設計顯得更為重要，雖然一棟標志性建筑物建成后，人們只知道建筑師的名字，但一個適用、安全、經濟、美觀、便于施工的結構設計也是工程師們的驕傲和成就。

二、高層建筑結構的受力特點

建筑結構所受的外力（作用）主要來自垂直方向和水平方向。在低、多層建筑中，由于結構層數少、平面尺寸較大，其高寬比很小，且結構受風荷載和地震影響也很小，故結構以抵抗豎向荷載為主。也就是說，豎向荷載往往是結構設計的主要控制因素。在高層建筑中，首先，在豎向荷載作用下，各樓層豎向荷載所產生的框架柱軸力為：邊柱N=wlH/2h，中柱N=wlH/h，即框架柱的軸力和建筑結構的層數成正比;邊柱軸力比中柱小，基本上與其受荷面積成正比。就是說，由各樓層豎向荷載所產生的累積效應很大，建筑物層數越多，底層柱軸力越大;頂、底層柱軸力差異越大;中柱、邊柱軸力差異也越大。

其次，在水平荷載作用下，作為整體受力分析，如果將高層建筑結構簡化為一根豎向懸臂梁，那么由其底部產生的傾復彎矩為：水平均布荷載Mmax=qH2/2，倒三角形水平荷載Mmax=Qh3/3，即結構底部產生的傾復彎矩與樓層總高度的平方成正比。就是說，建筑結構的高度越大，由水平作用對結構產生的彎矩就越大，較豎向荷載對結構所產生的累積效應增加越快，其產生的結構內力占總結構內力的比重越大，從而成為高層結構強度設計的主要控制因素。

高層建筑結構的主要受力構件有剪力墻、框架柱、梁和樓板。剪力墻、框架柱是豎向構件，它們是形成結構抗側力剛度的最主要構件，承擔著整個結構的豎向荷載和絕大部分水平荷載;框架梁、樓板是水平構件，結構各樓層的豎向荷載通過樓板傳至框架梁再傳給豎向構件，同時，對結構抗側力剛度也有貢獻頗的框架梁，還和豎向構件一起承擔整個結構的荷載水平荷載;次外，有些高層建筑結構還有斜向構件，它們對結構抗側力剛度貢獻很大，對構件之間的傳力起著重要作用，除自重外，一般不直接受荷。

結構在水平陣風作用下，當振動加速度α超過0.015G時會使人的正常生活受影響，因為加速度α=A（2πf），當頻率f為定值時，α與振幅A成正比，因此結構的側移幅值的大小要受限制。過大的側移易使隔墻、圍護結構以及高級裝修受損，地震或陣風引起的過大變形也會造成電梯軌道無法使用。結構過大的變形會引起結構的二階效應，造成結構桿件產生附加內力，影響結構承載力。

三、高層建筑結構的消防安全結構設計

高層建筑結構在結構的設計上，比較的注重其結構風格和美觀上的設計。進而，其樓層結構需要使用到大量的高分子的現代材料，尤其是墻體的裝飾物越來越易燃化。因此，在高層建筑的結構設計過程中，整體結構的消防結構非常的重要，同時作為建筑結構最基本的結構，其在設計的過程中，就需要充分的考慮到消防結構的實用性。

（1）建筑結構的外圍墻體消防結構設計

現代的高層建筑，其在外墻的裝飾設計的過程中，大量的采用了高分子的易燃材質，而且基于大樓的面積大。所以其外圍的消防結構需要比較的緊湊，而且消防設備需要大型化。同時消防用水的管道可以雙管道德設計方法，進而起到雙保險的作用。而且在各個易燃點處，合理的分置消防設備，這樣可以很好的減少大樓整體性著火可能。

（2）高層建筑的結構內部消防設計

高層建筑的內部結構比較的復雜，進而，在內部結構的消防處理上，需要進行系統的消防設計。在設計的過程中，需要做到關鍵點，都安裝有必要的消防設備。而且，消防用水要與實際的生活用水分開，盡量避免消防的用水緊張。當然，大樓結構的消防安全，還需要大樓的各個用戶加強消防意識，這樣才能更好的保障大樓的消防安全。

四、高層建筑結構的變形特點

在豎向荷載作用下，高層建筑結構的變形主要是豎向構件的壓縮變形。由于各豎向構件的應力大小不同，因而其壓縮變形大小也不同。在水平荷載作用下，高層建筑結構最大的頂點位移為：水平均布荷載△max=qH4/8EI，倒三角形水平荷載△max=11qH4/120EI，式中EI為結構，從以上可看出，結構頂點位移與其總高度的四次方成正比。則又比水平荷載作用下的內力累積效應增加更快，這就說明，高層建筑結構對結構的水平側移是相當敏感的。水平荷載作用下所引起的結構內力及側移是高層建筑結構設計的主要控制因素。所以結構應具備較大的抗側度，而不僅僅滿足強度、剛度和穩定要求。

五、加強高層建筑結構的計算與分析

隨著計算機技術以及結構設計理論的發展和完善，計算機軟件在結構設計中的使用日益增多。但是，數值計算并不能完全替代人的主要設計概念，因為在充分利用計算機設計的過程中，必須充分了解軟件設計的內在要求和適用性。總之，在結構的計算和分析階段，必須在保持對計算和分析過程、結果有充分認識的基礎上，準確的利用計算軟件根據規范進行深入細化的計算和分析，這一處理結果的好壞實際上也決定了設計質量好壞的關鍵。SATWE、TAT、ETABS、SAP、MIDAS等式目前比較通用的結構分析軟件。根據工程整體結構計算的要求，選擇合適的軟件來建立合理精確地模型，對不同軟件計算的結構進行橫向比較，為最終的設計工作奠定基礎。

把握高層結構設計中的注意環節

（1）周期折減系數。在高層結構的周期分析中，很容易忽略掉非結構的砌體填充墻所帶來的影響。顯然，周期的折減應考慮到非結構性構件的影響作用，而且不同的結構類型和填充墻的形式也決定了周期折減系數的取值。

（2）選擇足夠的振型數目。通常對于規則高層建筑而已，選擇其前三階振型計算即可滿足計算要求，在分析的過程中，應依據規范要求對計算結果進行合理判斷;但對于一些不規則的高層結構而已，或者對于一些有特殊構件的結構而已，局部的振動也必然存在，此時因根據具體的振動特性來選擇振型數目的取值。

（3）明確多塔之間的藕聯計算。在高層建筑結構形式中，主塔建筑和裙塔建筑構成的藕聯體系是一種常見的結構形式，按結構的受力特點，將結構作為一個整體并按多塔類型進行計算，還是將結構人為地分開進行計算是滿足力學基本要求的規定，但是很多工程師為了計算的方便通常都是分開單獨計算，這樣處理顯然是存在問題的。當多塔間剛度相差較大的時候，兩者之間就存在“耦合效應”，此時若忽視掉就必然使得塔樓的計算誤差仍然有較大，從而導致結構出現不安全的隱患。

結語

在我國城市化建設的進程中，高層結構建筑逐漸成為當今城市建設的主要建筑。尤其是其在一定程度上減緩了城市的用地緊張，因此，非常適合當今城市的文明化進程。然而，高層結構建筑在設計技術上具有嚴格的要求，其要求結構的受力結構合理以及抗自然災害的性能優良，這些最關鍵性的設計元素都得在設計的過程中，作為主要考慮的設計元素。

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