高層建筑結構設計要點分析

李石

摘 要：隨著國民經濟的快速發展，建筑行業的發展也迎來了春天，越來越多的高層建筑拔地而起，大城市中高層建筑隨處可見。人們物質生活極大豐的同時，對建筑的實用性、安全性、觀賞性要求也越來越高。建筑的結構設計是整個建筑工程能否順利完工的關鍵所在。因此，本文將對建筑結構設計中常見問題進行詳細分析。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；問題；要點

1 高層建筑結構設計特點

1.1 水平作用是決定因素

首先，因建筑結構本身存在自重，這將在豎向構件中引起軸力彎矩，數值正比于建筑高度的一次方，在水平力的作用下，結構將產生傾覆力矩，數值正比于建筑高度的二次方；此外，如果建筑物的高度確定了，豎直方向的載荷基本就是固定值，但水平方向的作用力并不確定，會受到地震、風等因素作用的影響。

1.2 側移是控制指標

與多層建筑相比，決定高層建筑結構設計中的關鍵因素是結構側移。水平載荷作用下產生的結構側移會隨著建筑物高度的增長而不斷增加，結構定點處的側移正比于建筑物高度的四次方。因此為了保障建筑物的安全性，必須做好結構側移的控制。

1.3 結構延性成為重要設計指標

延性是指構件在受到載荷而屈服后，有足夠的塑形變形性能，而產生塑形變形后，承載能力不改變或基本不存在下降現象，通常用延性比來表示。隨著外載荷的不斷增加，受彎構件會出現如下現象，首先受拉區域的混凝土會有裂縫出現，甚至變形。然后受拉鋼筋會出現屈服變形，受壓區域高度下降，甚至出現混凝土被壓碎的現象，最后可能造成構件破壞。

1.4 軸向變形也不容輕視

隨著建筑物高度的增加，豎向載荷也會不斷加大，這就可能使柱中產生很大的軸向變形，進而對連續梁彎矩造成不良影響，連續梁中間支座處的負彎矩會因此變小，跨中部分的正彎矩值和端支座處的負彎矩值會受影響而變大，因此，下料的實際長度要將軸向變形的具體數值考慮在內；此外，也會影響到構件剪力和側移。所以要對構件的豎向變形做到正確分析與考慮，才能保障計算結果的準確。

2 高層建筑結構設計問題

2.1 設計人員基礎知識薄弱

在一些規模較小的設計公司，設計人員對施工的工藝流程掌握不到位，脫離了設計圖庫和計算機根本無法完成圖紙的設計，施工現場設計經驗不足，施工過程中遇到的技術難題不能憑借專業知識和經驗有效解決。這樣缺乏經驗指導、紙上談兵的建筑圖紙，在低成本的小型建筑項目中應用廣泛，比如一些拆遷項目重建，這些建筑物通常存在技術隱患，使用壽命不長的問題。

2.2 結構抗震概念設計不足，標準及規范推廣應用落后

高層建筑結構設計中，通常存在結構抗震性能考慮不充分的問題。我國地震帶分布不一，部分省市對抗震結構設計沒有足夠的重視，致使結構抗震設計的發展一直處于緩慢狀態。與日本和美國具有較為突出的抗震概念設計成果的國家，我國有關抗震性能的設計標準應用和推廣的力度不夠。

2.3 建筑物超高問題

建筑物的層數越來越多，高度也不斷增加，因此，建筑質量和抗震性能等方面都有很多問題需要解決。與多層建筑相比，高層建筑的抗震性能要求較高，相關規范以及行業標準應對建筑物的高度有明確的規定，超高建筑在設計過程要將抗震要求考慮其中。目前一些高層建筑存在超高問題，而又沒有制定嚴格的抗震措施。

2.4 短肢剪力墻的設置

將那些墻肢截面高度與厚度的比值位于5～8的剪力墻定義為短肢剪力墻。近年來逐漸發展起來的短肢剪力墻結構，雖然對住宅建筑的布置比較有利，也可以使結構的自重減輕，但在高層住宅中需要注意的是，剪力墻肢的設計不宜太短，這是因為短肢剪力墻所具有的抗震性能不佳，為了確保安全，高層建筑結構中剪力墻的設置不應采用全部都是短肢剪力墻的結構。

3 高層建筑結構設計要點

3.1 地基與基礎設計

結構工程師越來越重視地基與基礎的設計，這個階段的設計過程能否合理的完成將直接影響后期設計工作的順利進行情況，也直接決定著整個項目的運作成本。因此，這個階段極為重要，存在著不可預計的問題，處理不好可能造成不可估量的損失。高層建筑應根據整體布局的設計來確定滿足承載要求和不均勻沉降的地基形式。可通過設置地下室的方式用于減小高層建筑地基的沉降問題，這也有利于保證地基的承載力和建筑物主體的穩定性。

3.2 建筑結構受力性能

在建筑結構的最初設計過程中，建筑設計師往往考慮最多的是有關空間組合的設計，而不是對具體的結構進行確定。分析建筑的結構組成，水平和垂直方向上的空間穩定性極為重要，因為有些建筑物的組成中包含很多又大又重的組合物，因此結構必須具備將自重傳至基礎的能力，結構承受的載荷能夠向下作用于基礎面，因此在建筑結構設計中必須明確結構體系中向下的作用力與地基所能承受的力之間的關系，要對主要的承重墻的數量以及分布情況做出明確的設計。

3.3 建筑結構設計中的扭轉問題

要將建筑三心即幾何形心、剛度中心、結構重心，盡量匯聚于一點，做到三心合一，這是結構設計中必須要保證的因素。而在設計過程中不能保證三心合一是造成結構扭轉的直接原因，當結構受到水平載荷作用時將發生扭轉震動效應。為了確保建筑物不因承受水平載荷發生扭轉而遭到破壞，在結構設計過程中要做好結構的合理設計和整體的平面布局，因此要盡量保證建筑物三心合一。當高層建筑物承受水平載荷時，扭轉程度取決于質量分配。為了使結構受力均勻，樓層的水平作用力應該沿平面分布，使結構的扭轉振動減小，因此，建筑平面應該盡量采用方形、圓形、正多邊形等平面圖形。實際施工過程中，由于街景的限制，高層建筑完全采用平面形式不可能完成施工，也需要采用如十字形、T形、L形、等較為復雜的平面圖形，這就需要控制好突出部分厚度與寬度的比值，使其在規定允許的范圍之內，在結構布局設計時，盡量使其對稱。

3.4 建筑高度、高寬超限問題

現行房屋建筑規范給出了房屋的最大建筑高度和高寬比的最大限度值。實踐應用中，有些高層建筑存在高度和高寬比的最大限度值超過規定值的問題。在結構設計過程中，若發現規范約定的建筑高度、長寬比和尺寸不能滿足高層建筑物的復雜設計，應該將該建筑物按照超限高層建筑進行設計。同時，還需注意的問題是，除了結構設計的類型及抗震程度決定建筑物可達到的最大高度外，還受到場地類別的規則程度限制，當建筑物處于Ⅳ類場地或結構的豎向呈不均勻狀態時，應適當降低最大高度。

3.5 抗震設計要求更高

高層建筑結構設計要做好抗震防震設計，建筑物正常使用時所承受的豎向荷載和風荷載要正確計算，確保建筑物具備足夠的抗震性能。

3.6 概念設計和理論計算具有同等重要性

抗震設計由兩部分組成，分別是計算設計和概念設計。雖然設計原則在不斷改善，但抗震設計計算始終有一部分是在假象條件下進行的，影響地震的因素很多，大多復雜且不確定，結構體系本身就比較復雜，同時還要受到地基土等不確定因素的影響，因此通過理論分析計算得到的數值可能與實際情況相差較大。尤其是當結構進入到彈塑性變形階段時，構件局部極有可能開裂，此時按照常規的計算原理去分析結構基本是行不通的。諸多實踐表明，概念設計直接影響著高層建筑的結構設計。

4 結束語

高層建筑在現代經濟格局中得到了快速發展，結構設計人員對力學模型的合理性和建筑物結構的觀賞性有更高的追求，更多的高素質高知識的人才朝著這個方向不斷努力，未來，高層建筑將迎來更廣闊的發展空間，值得期待。

參考文獻

[1]孫凱.高層建筑結構設計的問題及對策探討[J].價值工程，2011（06）.

[2]房國府.高層建筑結構分析與設計[J].中國高新技術企業.2010