高層建筑結構設計研究

李國強

【摘要】隨著科技和社會的不斷發展和進步，自從19世紀以來出現了現代高層建筑，高層建筑越來越廣泛的出現在人們的生活中。作為一個龐大復雜的系統，高層建筑的結構設計，一方面要滿足包括抗震，抗風等在內的安全性能的要求，另一方面，也要滿足高層建筑結構的科學性和合理性。本文作者對高層建筑結構特征進行了介紹，對高層建筑結構設計的原則進行了分析，對高層建筑結構體系的選型問題進行了闡述，并重點對高層建筑結構設計問題及對策進行了探討。

【關鍵詞】高層建筑；結構設計

引言

隨著我國經濟的不斷進步與發展，高層建筑逐漸出現在城市建筑之中，區別于一般的建筑，高層建筑結構在其設計、方案的選用之中具有更高的要求，因此勢必要對于高層建筑結構的設計加以有效的探討和了解。高層建筑的結構設計目前已成為我國高層設計的重要內容，因此，研究高層建筑結構設計設計具有十分重要的意義。

一、高層建筑結構的特征

高層建筑結構不但承受著由于外界的風產生的水平方向的荷載，同時也承受著在垂直方向的荷載，并且對于地震的抵抗能力也有要求。一般情況下，建筑結構受到低層建筑結構水平方向上的影響比較弱，然而在高層建筑中，外界地震的影響和外界風產生的水平方向的荷載的影響是主要的影響因素。隨著建筑物高度的增加，高層建筑的位移增加較快，但是高層建筑過大的側移不但影響人的舒適度，同時使得建筑物的使用受到影響，并且容易損壞結構構件以及非結構構件?；诖?，在設計高層建筑結構時，首先控制側移在規定的范圍之內，所以，高層建筑結構設計的核心是抗側力結構的設計。

二、高層建筑結構設計的原則

（一）選擇合理的高層建筑結構

在計算簡圖在計算簡圖基礎上進行高層建筑結構設計的計算，如果選擇不合理的計算簡圖，那么就比較容易造成由于結構安發生的事故，基于此，高層建筑結構設計安全保證的前提是合理的計算簡圖的選擇。同時，計算簡圖應該采用相應的構造方法保證安全。在實際的結構中，其結構節點不單是鋼節點或者餃節點，保證和計算簡圖的誤差在規范規定的范圍內。

（二）選擇合理的高層建筑結構

基礎設計按照高層建筑地質條件進行基礎設計的選擇。綜合分析高層建筑上部的結構類型與荷載分布情況，考慮施工條件，相鄰的建筑物的影響等各個因素，在此基礎上選擇科學合理的基礎方案。基礎方案的選擇應該使得地基的潛力得到最大程度的發揮，必要的時候要求進行地基變形的檢驗。高層建筑設計要有詳細的地質勘查報告，如果缺失，那么應該進行現場勘查并參考相鄰建筑物的有關資料。一般情況下，相同結構單元應該采用相同的類型。

（三）選擇合理的高層建筑結構方案

合理的結構設計方案必須滿足經濟性的要求，并且要滿足結構形式和結構體系的要求。結構體系的要求是受力明確，傳力簡單。在相同的結構單元當中，應該選擇相同結構體系，如果高層建筑處于地震區，那么應力需要平面和豎向的規則。在進行了地理條件，工程設計需求，施工條件，材料等的綜合分析的基礎上，并和建筑包括水，暖，電等各個專業的相協調的情況下，選擇合理的結構，從而確定結構的方案。

（四）對計算結果進行準確的分析

隨著科技的不斷進步，計算機技術被廣泛的應用在建筑結構的設計中。當前市場上存在著形形色色的計算軟件，采用不同的軟件得到的結果可能不同，所以，建筑結構設計人員在全面了解的軟件使用的范圍和條件的前提下，選擇合適的軟件進行計算。由于建筑結構的實際情況和計算機程序并不一定完全相符，所以進行計算機輔助設計的時候，出現人工輸入誤差或者因為軟件本身存在著缺陷使得計算結果不準確的問題，基于此，結構設計工程師在得到了通過計算機軟件得到的結果以后，應該進行校核，進行合理判斷，得出準確結果。

三、高層建筑結構分析與設計方法

高層建筑結構是由豎向抗側力構件（框架、剪力墻、筒體等）通過水平樓板連接構成的大型空間結構體系。要完全精確地按照三維空間結構進行分析是十分困難的。各種實用的分析方法都需要對計算模型引入不同程度的簡化。下面是常見的一些基本假定：彈性假定；小變形假定；剛性樓板假定；計算圖形的假定。

對于框架-剪力墻體系來說，框架-剪力墻結構內力與位移計算的方法很多，大都采用連梁連續化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉角相等的位移協調條件，可以建立位移與外荷載之間關系的微分方程來求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同?？蚣?剪力墻的機算方法，通常是將結構轉化為等效壁式框架，采用桿系結構矩陣位移法求解。剪力墻的受力特性與變形狀態主要取決于剪力墻的開洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、聯肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。不同類型的剪力墻，其截面應力分布也不同，計算內力與位移時需采用相應的計算方法。剪力墻結構的計算方法是平面有限單元法。筒體結構的分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為三類：等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效連續化方法是將結構中的離散桿件作等效連續化處理；等效離散化方法是將連續的墻體離散為等效的桿件，以便應用適合桿系結構的方法來分析。

四、高層建筑結構設計問題分析及對策

（一）高層建筑結構存在著超高的問題

基于高層建筑抗震的要求，我國的建筑規范對高層建筑的結構的高度有嚴格的規定，針對

高層建筑的超高問題，在新規范中不但把原來限制的高度規定為A級高度，并且增加了B級高度，使得高層建筑結構處理設計方法和措施都有了改進。實際工程設計中，對于建筑結構類型的改變對高層超高問題的忽略，在施工審圖時將不予通過，應該重新進行設計或者進行專家會議的論證等。在這種情況下，整個建筑工程的造價和工期都會受到極大的影響。

（二）高層建筑結構設計短肢剪力墻設置

建筑新規范中，短肢剪力墻是指墻肢的截面的高度和厚度比在5～8的墻，按照實際經驗以及數據，高層建筑結構設計中增加了對短肢剪力墻的使用限制。所以，在高層建筑的結構設計中，必須盡可能的減少或者避免使用短肢剪力墻。

（三）高層建筑結構設計嵌固端的設置

一般情況下，高層建筑配有兩層或者兩層以上的地下室或者人防。高層建筑的嵌固端一般設置在地下室的頂板或者人防的頂板等位置。因此，結構工程設計人員應該考慮嵌固端設置會可能帶來的問題。考慮嵌固端的樓板的設計；綜合分析嵌固端上層和下層的剛度比，并且要求嵌固端上層和下層的抗震的等級是一致的；高層建筑的整體計算時充分考慮嵌固端的設置，綜合分析嵌固端位置和高層建筑結構抗震縫隙設置的協調。

結語

高層建筑的結構設計中要性不言而喻，就其技術含量來看，高層建筑的結構設計是一項綜合性的技術工作，對于建筑的設計有著非常重要的作用和意義。作者衷心希望，以上關于對我國高層建筑結構的設計研究能夠被相關方面負責人合理的吸收和采納，進而更好的推動我國建筑行業的發展與進步，保證高層建筑的高質量，更好的服務于廣大人民群眾。

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