对高层建筑结构设计的探讨

摘要：高层建筑的出现，不仅改变了城市的建筑格局和人们的居住模式，还在一定程度上反映出科学技术与社会经济发展的水平。本文对高层建筑结构设计等问题进行了分析。

　　关键词：设计原则；关键技术；结构设计

　　引言

　　结构设计是一项集结构分析、数学优化方法以及计算机技术于一体的综合性技术工作，是一项对国家建设有重大意义的工作，同时，亦是一门实用性很强的工作。在对高层建筑进行结构设计时，必须以高层建筑结构设计理论为基础，对影响高层建筑结构的主要因素进行深入的分析研究，做到精心设计，确保质量、安全。

　　1.高层建筑结构设计原则

　　钢筋混凝土高层建筑结构设计应与建筑、设备和施工密切配合，做到安全适用、技术先进、经济合理，并积极采用新技术、新工艺和新材料。

　　高层建筑结构设计应重视结构选型和构造，优先选择抗震及抗风性能好且经济合理的结构体系与平、立面布置方案，并注意加强构造连接。在抗震设计中，应保证结构整体抗震性能，使整个结构有足够的承载力、刚度和延性。

　　2.高层建筑结构设计关键技术分析

　　2.1水平荷载相对于竖向荷载显得更为重要

　　结构需同时承受竖向和水平荷载，低层结构以抵抗重力为代表的竖向荷载为主，而水平荷载所产生的内力、侧向位移很小。对高层结构来说，随着建筑高度的增加，水平荷载随建筑高度的增高迅速增大。如把建筑物视作一简单的竖向悬臂构件，构件中由竖向荷载产生的轴力与高度（H）成正比；水平作用产生的弯矩与高度（H）的平方成正比；水平作用产生的侧向位移则与高度（H）的四次方成正比。对某一高度确定的建筑，结构竖向荷载的大小基本稳定，而水平方向上风载和地震作用的数值大小往往会随高层建筑结构的动力特性不同而存在较大幅度的变化。

　　2.2控制结构侧移是关键因素

　　与低层建筑结构的设计不同，高层建筑结构的侧移是其结构设计过程中的关键决定性因素。随着建筑高度的不断增加，水平侧向荷载下的结构侧移变形会快速增大。侧向位移过大使结构产生附加内力，特别是对竖向构件，附加偏心力超过一定限值时，将会引起整个结构的倒塌破坏；同时，在风荷载作用下，如果侧向位移过大，将会引起居住者工作者的不适，在地震作用下，如果侧向位移过大，更会让人感到不安和惊慌。

　　2.3结构轴向变形的影响显著

　　对于高层建筑结构，由于层数多、高度高，轴力很大，从而沿高度逐渐积累的轴向变形很显著高层建筑结构中，一般竖向荷载的数值较大，在柱中会引起较大范围的轴向压缩变形，对结构体系中的连续梁弯矩大小产生显著影响。高层建筑的轴向变形的差异会达到一个比较大的数值，从而引起跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大，连续梁中间支座处的负弯矩值减小。

　　2.4建筑体型和结构总体布置的重要性

　　由于地震的不可预知性，在抗震设防的低烈度地区也会发生强震。因此，对于高层结构设计来说，必须要注重其抗震概念设计，确保“大震不倒”。而合理的建筑体型、结构总体布置是实现此目标的重要措施之一，现行规范就对结构的平面和竖向布置提出了多项控制目标。例如建筑平面狭长的高层，在水平偏心地震力作用下，建筑物长度方向的两边，容易出现过大受扭作用，导致竖向构件的大变形破坏；另外高层竖向构件侧向刚度的不连续，就像截面随高度不均匀变化的悬臂构件，易在刚度突变处出现应力集中，导致此处构件过早破坏，还有竖向构件布置的不连续，会使竖向构件的不连续处出现复杂受力和应力集中的问题，很难用现行设计软件进行合理分析。

　　3.建筑结构设计注意问题

　　3.1关于箱形、筏形基础底板的挑板问题。从结构角度来讲，如果能出挑板，能调匀边跨底板钢筋，特别是当底板钢筋通长布置时，不会因边跨钢筋而加大整个底板的通长筋，较节约出挑板后，能降低基底附加应力，当基础形式处在天然地基和其他人工地基时，加挑板就可能采用天然地基，能降低整体沉降，当荷载偏心时，在特定部位设挑板，还可调整沉降差和整体倾斜：窗井部位可以认为是挑板上砌墙，不宜再出长挑板。虽然在计算时此处板并不应按挑板计算。

　　3.2关于箱形、筏形基础底板挑板的阳角问题

　　阳角面积在整个基础底面积中所占比例极小，可砍成直角或斜角。如果底板钢筋双向双排，且在悬挑部分不变，阳角不必加辐射筋。

　　3.3基坑开挖时，摩擦角范围内的坑边的基底土受到约束，不反弹，坑中心的地基土反弹，回弹以弹性为主，回弹部分被人工清除。当基础较小，坑底受到很大约束，回弹可以忽略，在计算沉降时，应按基底附加应力计算。当基坑很大时，相对受到较小约束，如箱基，计算沉降时应按基底压力计算，被坑边土约束的部分当做安全储备，这也是计算沉降大于实际沉降的原因之一。

　　3.4关于梁、板的计算跨度。一般的手册或教科书上所讲的计算跨度，如净跨的1.1倍等，这些规定和概念仅适用于常规的结构设计，在应用日广的宽扁梁中是不合适的。梁板结构，在梁的中心线上有一刚性支座，将梁板统一认为是一变截面板。在扁梁结构中，梁高比板厚大不了多少时，应将计算长度取至梁中心，选梁中心处的弯距和梁厚，及梁边弯距和板厚配筋，取二者大值配筋。柱子也可认为是超大截面梁，所以梁配筋时应取柱边弯距。削峰是正常的，不削峰才有问题。

　　3.5关于回弹再压缩基坑开挖时，摩擦角范围内的坑边的基底土受到约束，不反弹，坑中心的地基土反弹，回弹以弹性为主，回弹部分被人工清除。当基础较小，坑底受到很大约束，如独立基础，回弹可以忽略，在计算沉降时，应按基底附加应力计算。当基坑很大时，相对受到较小约束，如箱基，计算沉降时应按基底压力计算，被坑边土约束的部分当做安全储备，这也是计算沉降大于实际沉降的原因之一。

　　3.6抗震缝应加大，经统计，按规范要求设的防震缝在地震时有40%发生了碰撞。故应增大抗震缝间距。

　　4.应用于高层建筑的结构体系

　　4.1剪力墙体系。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，时一种良好的结构体系。

　　4.2框架—剪力墙体系。顾名思义由框架柱和剪力墙组成的抗侧力体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系，在体系中框架体系主要承受竖向荷载，剪力墙是主要的抗侧力构件。

　　4.3筒体体系。凡采用筒体为抗测力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体—框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混泥土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风，抗震能力很强，往往应用于大跨度大空间或超高层建筑。

　　5.结语

　　结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。在高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择。高层建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析，用掌握的知识处理实际设计中遇到的各种问题。

　　参考文献：

　　[1]朱丙寅.建筑结构设计问答及设计[M].中国建筑工业出版社.2009年11月.

　　[2]李智.谈建筑结构设计[J].《城市建设理论研究》.2013年4月.

　　[3]刘伶芝.高层建筑结构设计探析[J].《城市建设理论研究》.2013年2月.