關于高層建筑結構設計關鍵性問題的探討

彭 寧

（上海三益建筑設計有限公司， 上海 200050）

高層建筑的房屋高度和結構體系的發展是和科學技術、經濟、材料科學的發展密切相關的，隨著城市形象和土地使用要求以及我國對高層建筑關鍵性技術的控制能力，高層建筑已十分常見，使得高層建筑的結構設計問題逐漸引起人們的重視。隨著建筑行業的高速發展，高層建筑逐漸成為現代建筑的主角，人們在高層建筑設計方面需要作出巨大的思考和突破，研究高層建筑在結構設計方面存在的問題，并將問題盡快解決是關鍵。高層建筑結構設計就變得尤為重要，因為其直接影響著高層建筑物的質量、使用和經濟性問題。

1 高層建筑結構設計的特點

高層建筑與低層、多層建筑在進行結構設計時即有共同點，也是有區別的。無論高層還是多層就是都要抵抗由恒、活荷載產生的豎向作用及風、地震荷載產生的水平作用，有時也需要抵抗基礎不均勻沉降、溫度荷載等產生的內力；但是當把建筑看作是嵌固在地面的剛度和質量均有的懸臂梁模型分析時，可以發現軸力與建筑高度為一次方關系， 彎矩與建筑高度是二次方關系，主要控制指標結構水平位移與建筑高度卻成四次方關系；另外從用鋼量和建筑高度的關系看，用鋼量在豎向荷載作用下與建筑高度基本為線性關系，但水平荷載作用下，用鋼量的增加速度往往超過建筑高度的增加速度，是非線性的， 所以低、多層建筑主要抵抗豎向荷載作用，但隨著建筑高度的增加，高層建筑、超高層建筑水平荷載比豎向荷載對結構的影響更明顯，也成為主要控制因素，這是高層建筑最顯著的特點。

2 高層建筑荷載及作用分析及探討

2.1 豎向荷載的分析及探討

根據高層建筑結構設計的特點分析，高層建筑豎向荷載不是主要控制因素，但一方面為了能夠提供足夠抵抗水平荷載作用的抗側剛度，另一方面層數增加，相應樓面恒荷載也增加，豎向抗側構件柱、墻等要承擔的樓面恒荷載的比例往往達到所承擔荷載的25%左右，構件尺寸比較大，自重所占的比例也增加，所以對樓面恒荷載的優化是有必要的。可以通過采取高強度鋼筋、鋼材和混凝土等材料、輕質填充墻、采用抗震性能更好而自重更輕的鋼結構或混合結構體系等方法降低自重的影響，這樣對減少地震作用也是非常有利的。

2.2 水平荷載的分析及探討

風荷載是高層建筑結構設計中主要考慮的水平荷載之一，它同地震作用一樣，雖然是動力荷載，但從對風荷載研究的局限性、經濟性和結構設計的操作性等因素考慮，目前規范都是將風荷載簡化為靜力等效荷載進行考慮，對于一般高層建筑，結構設計在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下滿足此種等效是可靠的，但對于一些高柔結構，當風速達到一定臨界值時會產生氣流渦旋脫落現象，對建筑產生橫向風陣造成渦激振動，對結構設計及使用是極為不利的，所以需要在建筑方案前期通過平滑建筑平面（如倒角、切角）、沿高度改變建筑形狀等方式減少橫向風陣荷載。另外在進行風荷載設計時，還需要注意建筑表面局部構件風壓的不均勻、風壓局部增大的情況。

地震作用是結構設計中另一重要水平作用，目前有擬靜力法和直接動力法兩種分析設計方法。擬靜力法用于多數低、多層建筑和比較規則的高層建筑，但對于復雜、重要、特別不規則的建筑需要采取直接動力法進行進行補充分析。根據對高層建筑自振周期的統計表明，高層建筑的自振周期多數在3.0S～5.0S 之間，由《高層建筑混凝土結構技術規程》中地震影響系數曲線可知，均處于速度控制段和位移控制段，隨著結構自振周期的增加，其水平地震作用隨之減小。故對于高層建筑結構設計而言，在滿足結構正常使用對舒適性要求的前提下，可適當增加第一自振周期，降低結構剛度，對減少地震作用是有利的，也是經濟合理的。

3 高層建筑結構設計的關鍵性問題探討

3.1 高層建筑的超高引起的建筑高寬比問題探討

隨著我國建筑物高度的不斷增加，高度超限問題是目前高層建筑結構設計中普遍存在的問題，通常高層建筑由于建筑場地及建筑功能的限制，建筑平面尺寸一般不大，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.3.2 條對建筑的高寬比限值進行了規定，這就使得建筑的高度和寬度的比成為高層結構設計中必須考慮的重要指標和控制性因素。主要控制指標建筑位移與建筑寬度的三次方成反比，與建筑高度的四次方成正比，底部傾覆力矩是建筑高度的二次方，所以增加建筑寬度，減少建筑高度，控制高寬比對高層建筑結構設計的經濟性的提高是非常有利的。當建筑高寬比無法改變的情況下，當高寬比不大于2 時，此時結構為剪切變形，此時建議增加剪力墻抗側構件的作用；當高寬比為2～5 時，此時結構為彎剪變形，此時建議平衡框架和剪力墻之間的比例，適當加大外圍框架的作用；當高寬比大于5 時，結構為彎曲變形，此時需要增加外圍框架的剛度，通過外圍框架剪切變形來協調剪力墻彎曲變形頂部位移大所帶來的影響。

3.2 高層建筑的筒體高寬比及筒體面積比的問題探討

高層建筑結構體系通常為框架-核心筒結構體系或支撐框筒結構體系，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第9.2.1 條，提出禾行通的寬度不宜小于筒體高度的1/12，對于常規的框架-核心筒結構，大部分剪力和地震傾覆力矩由核心筒成大，所以核心筒寬度的選擇是非常重要的。

另外根據大量高層建筑結構設計分析表明，當筒體面積不大于樓板面積的20%時，表明筒體抗側剛度偏弱，需要加強外圍框架的作用；當此比值為20%～27%之間時，表明筒體的抗側剛度是比較合理的；當此比值大于27%時，表明筒體過剛，此時筒體所承擔的傾覆力矩和地震剪力比例過大，需要加強核心筒的性能化分析，加強除核心筒之外的抗側構件的抗側作用，從而做到二道防線的結構概念設計。

3.3 解決高層建筑抗側剛度不足的問題探討

隨著建筑高度的增加，結構抗側剛度與結構各項控制指標和經濟性更加密切相關。通常高層建筑為框架—核心筒結構體系，此結構體系外圍框架抗側剛度比較弱，抗側剛度不足，而核心筒還需要承擔較大的剪力和傾覆力矩，筒體負擔過重，如何才能增強筒體與外框筒之間共同作用，增加增加結構整體的抗彎剛度是必須探討的問題。在外圍框架柱間距無法減小，外圍框架梁無法增大的情況下，當結構抗側剛度相差較多時，在高層建筑結構設計中通常采取伸臂桁架來增加結構抗側剛度是一種有效的解決方式，但也有經濟性差，對建筑功能影響較大的缺陷。當結構抗側剛度相差不多時，建議采取環帶桁架進行解決，這樣環帶桁架同樓層板共同形成虛擬伸臂桁架，起到一定伸臂桁架的作用，但環帶桁架僅在局部樓層外框架間設置，對建筑功能影響較小，經濟性也比較合理。

3.4 高層建筑的基礎設計問題

在進行高層建筑設計中，最基礎、最關鍵的設計就是基礎設計問題，這是因為高層建筑物所受到的各種各樣的荷載都需要通過基礎后再傳至到地基，即基礎起到一個“承上啟下”的作用。高層建筑的特點是層數較多，上部載荷較為集中并且較大，因此基礎必須埋置足夠的深度，其埋置深度必須要滿足于地基穩定和變形的相關要求，這樣做才能提高建筑物的抗震性能，防止建筑物出現坍塌、傾斜的情況。

4 結束語

綜上所述，隨著經濟社會的高速發展，建筑行業得到空前的發展和提高，隨之而來的高層建筑的數量越來越多，其高層建筑的安全問題已經受到了大部分人的重視。然而高層建筑結構設計的合理性與建筑本身的安全和質量有著千絲萬縷的關系，為此，設計人員不但要明確高層建筑的結構特點，而且還要在熟悉可能使用的結構體系類型的基礎上，對設計中的一些關鍵環節進行分析，比如選擇比較適合的抗側力結構體系，合適的高寬比和合適的筒體面積比等，與此同時，還要加強地震荷載的計算和重力載荷的計算，這樣不僅保持了結構整體的穩定性，又提高了抗震性能，因而高層建筑的整體質量和經濟性得到了有效地提高。同時，在面對高層建筑結構這一關鍵性問題時，相關研究人員要投入大量資金，加大對高層建筑結構設計的研究，還要加強對專業技術人才的培養，從而促進我國高層建筑行業向著又好又快的方向發展。