高層建筑的結構設計研究

于浩

【摘 要】隨著城市化發展以及建筑用地的緊張，高層建筑將日益增多。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。本文通過從高層建筑結構設計中的特點出發，探討了在高層建筑結構設計中應注意的三個問題。

【關鍵詞】高層建筑；高層建筑；結構設計問題

【Abstract】With the development of urbanization and the tense construction sites， high-rise buildings will increase. The structural design of high-rise buildings should not only ensure that high-rise buildings have sufficient safety， but also ensure the economy and rationality of the structure. This paper discusses three issues that should be paid attention to in the design of high-rise building structures， starting from the characteristics of high-rise building structures.

【Key words】High-rise buildings；High-rise buildings；Structural design issues

隨著社會經濟的迅速發展和建筑功能的多樣化，城市人口的不斷增多及建設用地日趨緊張和城市規劃的需要，促使高層建筑得以快速發展。另一方面由于輕質高強材料的開發及新的設計計算理論的發展，抗風和抗震理論的不斷完善，加之新的施工技術和設備的不斷涌現，特別是計算機的普及和應用以及結構分析手段的不斷提高，為迅速發展高層建筑提供了必要的技術條件。

1. 高層建筑結構設計的特點

高層建筑結構設計與低層、多層建筑結構相比較，結構專業在各專業中占有更重要的位置，不同結構體系的選擇，直接關系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機電管道的設置、施工技術的要求、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有：

1.1 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，其數值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化。

1.2 側移成為控制指標。

與低層或多層建筑不同，結構側移已成為高層結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結構的側向變形迅速增大，與建筑高度H的4次方成正比（△=qH4/8EI）。另外，高層建筑隨著高度的增加、輕質高強材料的應用、新的建筑形式和結構體系的出現、側向位移的迅速增大，在設計中不僅要求結構具有足夠的強度，還要求具有足夠的抗推剛度，使結構在水平荷載下產生的側移被控制在某一限度之內，否則會產生以下情況：

（1）因側移產生較大的附加內力，尤其是豎向構件，當側向位移增大時，偏心加劇，當產生的附加內力值超過一定數值時，將會導致房屋側塌。

（2）使居住人員感到不適或驚慌。

（3）使填充墻或建筑裝飾開裂或損壞，使機電設備管道損壞，使電梯軌道變型造成不能正常運行。

（4）使主體結構構件出現大裂縫，甚至損壞。

1.3 抗震設計要求更高。

有抗震設防的高層建筑結構設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結構具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

1.4 減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要。

高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意昧著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層數，這在軟弱土層有突出的經濟效益。地震效應與建筑的重量成正比，減輕房屋自重是提高結構抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了，不僅作用于結構上的地震剪力大，還由于重心高地震作用傾覆力矩大，對豎向構件產生很大的附加軸力，從而造成附加彎矩更大。

1.5 軸向變形不容忽視。

采用框架體系和框架——剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸壓應力往往大于邊柱的軸壓應力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，此種軸向變形的差異將會達到較大的數值，其后果相當于連續梁中間支座沉陷，從而使連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。

2. 高層建筑結構設計應注意的問題

2.1 提倡節約。

我國是發展中的國家，還是要盡量提倡節約，目前我國規范中的構造要求，并非都比外國低。有的已經超過。外國大企業在北京買了按我國規范設計的大樓，說明我國規范不是進不了國際市場。現在對安全度進行討論，應注意不要引起誤導，千萬不要誤解提高建筑結構安全度建筑物就安全了，造成不必要的浪費。實踐已經證明，現行規范安全度是可以接受的，這是重要的經驗，不能輕易放棄。但考慮到客觀形勢變化，國家經濟實力增強和住宅制度改革現狀，可以將現行設計可靠度水平適當提高一點，這樣投入不大，卻對國家總體和長遠利益有利。

2.2 考慮受力性能。

對于一個建筑物的最初的方案設計，建筑師考慮更多的是它的空間組成特點，而不是詳細地確定它的具體結構。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。

2.3 提倡使用概念設計。

所謂的概念設計一般指不經數值計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規范中難以規定的問題中，依據整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在建筑設計的方案階段迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設計階段一些不必要的繁瑣運算，具有較好的經濟可靠性能。同時，也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。

近十余年來我國的高層建筑建設可謂突飛猛進，其建設速度和建造數量在世界建筑史上都是少有的。但是，從設計質量方面來看卻不容樂觀，多數設計追趕流行時尚。因此在實際中應考慮長遠因素。

參考文獻

[1] 黃子云、袁志華：《高層建筑結構設計》，1998年12月第1版.

[2] 許克賓：《結構設計原理》，1995年1月第1版.

[3] 傅學怡：《實用高層建筑結構設計》，中國建筑工業出版.

[文章編號]1619-2737（2018）03-01-695