淺談高層建筑結構設計

高層建筑是社會經濟發展和科技進步的產物。隨著大城市的發展，城市用地緊張，市區地價日益高漲，促使近代高層建筑的出現，電梯技術的改進更使高層建筑越建越高。宏偉的高層建筑是經濟實力的象征，具有重要的宣傳效應，在日益激烈的商業競爭中，更扮演了重要的角色。

1、高層建筑結構設計的意義及依據

1.1概念設計的意義

高層建筑能做到結構功能與外部條件一致，充分展現先進的設計，發揮結構的功能并取得與經濟性的協調，更好地解決構造處理。

1.2概念設計的依據

高層建筑結構總體系與各分體系的工作原理和力學性質，設計和構造處理原則，計算程序的力學模型和功能，吸取或不斷積累的實踐經驗。

2、高層建筑結構設計的特點

2.1水平力是設計主要因素

在低層和多層房屋結構中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結構設計產生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑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，僅與建筑高度成正比；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所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，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，其數值隨著結構動力性的不同而有較大的變化。

2.2軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向載荷很大，能在柱中引起較大的軸向變形，對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大；此外還會對預測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。

2.3結構延性是重要設計指標

相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，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。

3、高層建筑結構的相關問題

3.1基礎埋深問題

高層建筑通常設地下室來滿足埋深要求，主要有以下幾點優勢：

3.1.1提高地基承載力。當高層建筑采用天然地基時，地基承載力可進行修正。隨著基礎埋深的增加，修正后的地基承載力隨之增大，從而可滿足高層建筑對地基承載力的要求。

3.1.2有利于高層建筑上部結構的整體穩定。高層建筑地下室外墻一般采用鋼筋鹼墻，地下室頂板厚不宜小于16Omm，地下室具有較大的層間剛度，同時地下室外墻周邊土也提供了很大的側向剛度和約束。因此設地下室有利于上部結構的整體穩定，有利于協調結構整體變形，調整地基不均勻沉降。

3.2受力問題

建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩定和水平方向的穩定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構件所組成，因此結構必須能將它本身的重量傳至地面，結構的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關系，所以，在建筑設計的方案階段，就必須對主要的承重柱和承重墻的數量和分布作出總體設想。

對于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結構體系的設計基本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加。豎向結構體系成為設計的控制因素，其原因有兩個：其一，較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或井筒；其二，側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。

與豎向荷載相比，側向荷載對建筑物的效應不是線性增加的，是隨建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有條件相同時，在風荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其項部的側向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應更加明顯。在高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，高層建筑的結構受力性能與低層建筑有很大的差異。

3.3超高問題

3.3.1結構的超高問題：在抗震規范和高規范中，對結構的總高度有著嚴格的限制，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級高度以外，增加了B級高度，處理措施與設計方法都有較大改變。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。

3.3.2短肢剪力墻的設置問題：在新規范中，對墻肢截面高厚比為4～8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。

3.3.3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項板，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。

3.3.4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。

3.4抗震問題

（1）應當注意防震縫的設計，必須留有足夠的寬度。

（2）平面形狀或剛度不對稱，會使建筑物產生顯著的扭轉，震害嚴重。

（3）凸出屋面的塔樓受高振型的影響，產生顯著的鞭梢效應，破壞嚴重。

（4）高層部分和低層部分之間的連接構造不合理。

（5）框架柱截面太小，箍筋不足，柱子的延性和抗震能力不夠而發生剪切破壞或柱頭壓碎。

（6）由于沿豎向樓層質量與剛度變化太大，使樓層變形過分集中而產生破壞。

（7）地基的穩定性問題要特別注意。

（8）伸縮縫和沉降縫寬度過小，碰撞破壞很多。

（9）不應在建筑物端部設置樓梯間，樓板有大洞口，因剛度不均勻而產生扭轉。

（1O）外縱墻門窗洞口過大，連梁尺寸太小，容易產生破壞。

（11）中間部分樓層柱子截面和材料改變或取消了部分剪力墻，產生剛度或承載力突變，形成結構薄弱層。

4、結語

總之，隨著高層建筑規模和形式的不斷發展，追求結構形式新穎、受力合理的目標將是結構設計工作者的目標和方向。作為結構工程師，高層建筑結構設計中應根據實際情況做好結構分析，多做方案比較，加強優化設計的實施，高層建筑的結構設計不僅應保證高層建筑具有足夠的安全性，還應保證結構的經濟性、合理性。