高層建筑結構設計的問題及對策分析

吳劍寒

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。本文對高層建筑結構設計中的幾個問題進行探討。

關鍵詞：高層建筑;高層建筑結構設計;問題

我國經濟取得了快速發展，城鎮化建設腳步也在不停加快，兩者全面推動了我國建筑行業的發展，也使我國建筑逐漸從低層、散分布向著高層、密集分布發展。相對于低層建筑而言，高層建筑的結構設計也變得越來越復雜，建筑結構設計的難度越來越高，給我建筑企業的設計工作帶來了不小的挑戰。一直以來，由于受到建筑行業一直飛速發展的影響，我我國建筑企業為了能夠快速占領市場，幾乎將全部的發展精力都放在了企業經營規模的擴大上，對建筑工程的管理和設計工作卻沒有引起足夠的重視。

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，用概念設計來判斷計算設計的合理性。

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

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;

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。

2.2側移成為控制指標

與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

2.3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。

2.4軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大;還會對預制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，會得出偏于不安壘的結果。

2.5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高層建筑結構體系的選型

建筑的結構在抵抗來自于水平方向和豎直方向的荷載時構件的組成形式和傳力的路徑就是高層建筑的結構體系。通過包括墻，柱等的豎向構件和樓蓋等水平構件將豎向荷載傳遞到基礎，利用抗側力體系將水平荷載傳遞到基礎。根據高層建筑結構的材料將高層建筑的結構體系分為鋼筋混凝土結構體系，鋼結構體系，鋼-混凝土混合結構體系以及鋼-混凝土組合結構體系。鋼筋混凝土結構體系被廣泛的應用在各類的工程結構中，具有混凝土和鋼筋兩種材料的協同受力性能特征，造價低廉，耐久耐火，成本低，整體性能優良，但存在著自重大，延性差，施工慢等缺點;鋼結構體系的強度高，抗震性能比較好，施工方便，跨度大，用途多，但是存在著費用高，防火性能差，施工復雜等不足;鋼-混凝土混合結構結合了鋼筋混凝土構件和鋼構件的長處，不但增加了鋼構件的材料強度，同時具有較高的抗震性能，成本低廉，然而這兩種材料構件的連接技術還存在著不足;鋼-混凝土組合結構具有承載能力高，抗震性能強。

根據結構形式可以將高層建筑結構分為框架結構體系，剪力墻結構體系，框架-剪力墻結構體系。利用柱，梁等結構體系作為高層建筑豎向承重的結構，并且承受水平荷載，這種結構側向位移大，框架結構內力大，適于50m高度以下的建筑;通過高層建筑的墻體當做抵抗側力和豎向承重的結構體系，就是剪力墻結構體系。這種剪力墻結構的剛度大，整體性能好，不易受水平力作用發生變形，適應于高層建筑，但是由于剪力墻的間距小，使得平面的布置不靈活，因此，在公共建筑中不宜使用;利用框架和剪力墻組合的而構成的結構形式就是框架-剪力墻結構體系，這種結構形式不但具有實用性強，布局靈活的優點，同時承受水平負載的能力更高，在高層建筑中被廣泛使用。在框架-剪力墻結構體系中，需要注意考慮剪力墻的位置，設計合理的剪力墻的數量，以及滿足框架的設計要求。

4高層建筑結構設計問題分析及對策

4.1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。

4.2高層建筑結構設計短肢剪力墻設置

我國建筑新規范中，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。

4.3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。

4.4高層建筑結構的規則性

在關于高層建筑的新規范中，對于高層建筑結構的規則性做出了很多限制，比如規定了結構嵌固端上層和下層的剛度比，平面規則性等等，并且硬性規定了“高層建筑不能采用嚴重不規則的設計方案。”因此，為了避免后期施工設計階段的改動，高層建筑結構的設計必須嚴格遵循規范的限制條件。

5結束語

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。隨著我國高層建筑的不斷發展，高層建筑的結構設計的要求越來越高，分析了高層建筑的結構特征，高層建筑結構設計的原則，闡述了高層建筑結構體系的選型問題，并重點分析了高層建筑結構設計問題及對策，可以為高層建筑結構設計提供參考和依據。

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