浅析高层建筑的结构设计

于浩　董艳君

【摘 要】本文通过对高层建筑中结构设计的特点以及其中存在的问题进行分析，并提出一些措施，期望能更好的促进高层建筑结构设计，并且实现在稳定高层建筑结构的同时提高高层建筑结构安全的效果。

【关键词】高层建筑；结构设计；剪力墙；水平荷载

引言

高层建筑的出现是科技发展、社会进步、建筑行业提升的重要标志，当前，国家和城市发展越迅速，高层建筑的数量和层次就越高，很多大城市已经开始了超高层建筑的设计和施工，并已经逐渐成为一种社会和行业发展的趋势。在这样的趋势下，高层建筑结构设计工作就显得尤为重要，在设计工作中要通过科学的手段、统筹的方法和高超的技巧将设计的合理性、安全性和需要的广泛性和差异性有效地统合在一起，满足从行业到社会，从个人到集体，从需要到发展等各方面的需要。当前，各界为建筑行业提出了做好高层建筑结构设计的要求，因此，在高层建筑结构设计中要了解高层建筑结构的特点，注意设计中的要点，重点对高层建筑结构的扭转和受力性能进行关注，在坚持安全、质量和经济的原则下，提升高层建筑结构设计的水平。

一、高层建筑的结构的特点

高层建筑由于高度相对较高，势必要承受更多的外来因素的影响。而常见的外来因素主要有外部荷载、地震、风力等。这使得高层建筑不仅要承受来自外界水平方向风力产生的荷载，同时还需要承受来自自身垂直方向的重力应力荷载。这些都是需要加强高层建筑结构设计研究的重要因素。随着社会经济的发展，未来高层建筑的高度会不断的增高，为了应对更为严重的位移和外来因素影响，使这些干扰因素对高层建筑的影响不会干扰到居住住户的舒适度，高层建筑结构设计应当将抗侧力结构设计确立为结构设计的核心。

二、高层建筑结构设计原则

（一）基础方案合理

建筑结构基础方案是高层建筑结构设计的前提和基础，在实际的建筑结构基础方案设计中，设计单位需要根据实际施工地质条件，根据实际建筑结构施工需求进行设计。同时建筑结构基础方案需要配置完善的施工地质调查报告，最大程度的发挥建筑物地基的潜力，必要的情况下设计人员还需要对地基的变形做好相应的演算。另一方面，设计单位还需要对建筑物进行综合性分析，尤其是对于建筑物负荷以及上部结构类型，通过对这些综合性分析，最终选定最适合的基础方案，从而可以在提高设计质量的基础上提高设计单位经济效益。

（二）计算简图适当

计算简图设计，也是高层建筑结构设计中需要注意的重要题，主要原因在于高层建筑结构设计时需要对一些基本的数据进行计算分析，而这些计算分析都必须要建立在计算简图的基础之上。只有通过计算简图基础之上的数据分析，才可以提高高层建筑结构设计的安全性以及牢靠性。举例来讲，建筑物结构节点问题，建筑物结构节点并不是我们传统观念中的铰节点或者是钢节点，设计单位在进行计算简图设计时，需要对建筑物结构节点进行深入研究，提高计算简图计算的精确性，进而将计算简图的误差控制在合理的范围内。

三、高層建筑结构设计的要点

（一）高层建筑水平荷载的设计要点

水平荷载是高层建筑结构设计过程中应该考虑的重点因素，对于高层建筑结构的价值和意义非常重要。水平荷载主要引起高层建筑结构出现倾覆力矩，力矩大小与高层建筑的净高的平方成正比；水平荷载还会引起高层建筑结构竖向构件的轴力，其大小也同高层建筑净高的二次方成正比，因此，我们不难得出结论，在高层建筑结构越来越高、体积越来越大的发展趋势下，水平荷载的因素要予以重点考虑，这是维护高层建筑结构稳定性的需要，同时也是设计高层建筑结构的必然要求。

（二）满足建筑抗震要求

在进行高层建筑结构设计时，需要确保其结构各部分的刚度是对称的、是均匀的，各结构单元的平面形状也需要尽量保持简单和规则。其结构如果比较复杂，并且不规则、不对称，那么对其复杂的地震应力就非常难以进行计算和处理，比如说应力集中和扭转等，这些对于建筑抗震设计非常不利。所以说，在进行高层建筑结构设计的时候，就需要尽量使地震力作用中心和建筑刚度中心进行重合，一般其偏心距e不宜超过垂直于外力作用线建筑物边长的5%。同时还可以采用比较利于抗震的竖向布置，但是竖向布置中需要对刚度的均匀性以及连续性进行确保。

（三）高层建筑结构设计的布置方式

1.平面布置平面布置的形状相对简单，规则对称，可实现质心、钢心相重合，但当偏心较大时，结构的扭转效应也会增加，从而使端部的构件位移增大，造成应力集中。通常平面不应突出过长。对于扭转大小的问题，可以通过概念设计方法判断得知，其与钢心的质心以及偏心距的计算大体相同，此外还可对结构最远边缘处的最大层间变形与质心处的层间变形进行比较分析，当这一比率超过1.1时则扭转过大，结构就会发生不规则现象。2.立体布置立体布置的前提是要求规则均匀。这里的规则指建筑体型规则，如果发生变化，也是渐变体型向着竖直方面发生剧变。这里的均匀指上下体型、承载能力、刚度以及质量分布均匀，这种情况下的变化自然也是均匀的。建筑结构的设计应符合刚度下大上小，从下到上递减的原则。如果下层刚度过小，可能导致下部发生变形，出现薄弱层，甚至造成建筑倒塌的严重后果。即使改变体型的尺寸，也要按照下大上小的规则逐渐改变，切记不可出现过大突变问题。小尺度的收进上部楼层可能时常存在，但应注意对收进尺寸做好限制把握，如果收进部位过高，则收进以后的平面尺寸可能变小，相应的增大了结构的高振型反应。

（四）高层建筑结构的延性和强度

在建筑结构不断受力的状态下，其就会进入到塑性变形阶段，此时其是具有非常大的变形能力的，因此为防止建筑倒塌事故的出现，计人员不但要保证结构具有足够的强度，同时也要保证结构具有良好的延性。通过电算的位移刚度可以有效的控制建筑结构的强度，而要想有效的控制建筑结构的延性，应做好以下四个方面的工作，改善构件截面的抗震承载力。当地震来临时，为了保证建筑物可以达到柔性破坏，那么就应根据建筑结构的实时受力状态进一步的改进和提高重力荷载和水平地震作用，组合所对应的构件截面的抗震承载能力，控制结构构件的剪压比。为了充分的提升高层建筑结构的安全性和延性，高层建筑结构构件在水平荷载和重力荷载的共同作用下，有效的控制其剪压比是一项重要的对策；控制竖向构件的轴压比，对于高层建筑的竖向构件来说，如果能够合理的控制其轴压比那么对于保证高层建筑结构的安全性和延性。

（五）高层建筑结构的计算简图

计算简图是高层建筑结构设计和高层建筑结构计算时的中要基础，因此，需要选择适宜的高层建筑结构计算简图。在计算简图中要对高层建筑结构的刚节点和铰节点进行重点把握，同时要控制计算简图的误差，使其限定在高层建筑结构设计的允许范围中。在高层建筑结构计算简图的应以中要对构造的重点防护措施进行强化，这样有利于控制高层建筑结构的稳定。

（六）剪力墙数量

通过判断剪力墙数量合理的办法是采取结构自振周期校核的方法，根据地震作用情况来看，当剪力墙的结构刚度较小时，相对的地震作用也较小，容易满足位移限制要求，然而该结构可能不符合工程设计标准要求，其结构自振周期可能不达标，通常的结构自振周期应满足Tl=（0.09一0.12）NS要求，其中NS代表楼层数。当剪力墙数量较多时，则框架剪力墙的结构刚度较大，发生地震时的周期较短地震力较大，耗材也较多。具体结构设计时，应结合工程实际情况，以及建筑物的高度、所在位置的设防烈度等参考以上计算方式进行计算取值。

结束语

总而言之，高层建筑结构设计是一项综合性、系统性较强的技术工作。随着我国高层建筑工程实践活动的不断增多，高层建筑所承载的任务和功能越来越多，其势必需要更加严格的结构设计与之相适应。本文着重分析了高层建筑的结构体系选型问题，以及在高层建筑结构设计的过程中常见的问题，并针对问题提出了有效的应对策略。为我国高层建筑结构设计的发展提供了借鉴和参考。

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