浅析高层建筑结构设计

盛伟斌 王伟

【摘要】随着社会发展，科技技术的进步，基本建设规模的大型建筑、高层建筑结构形式越来越多。高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性。本文对高层建筑结构设计进行了分析。

【关键词】高层建筑；结构设计；优化措施

一、建筑结构的布置原则与要求

1、结构平面布置

结构平面形状宜简单、规则、对称，尽量使质心和刚心重合。偏心大的结构扭转效应大，会加大端部构件的位移，导致应力集中。平面突出部分不宜过长。扭转是否过大，可用概念设计方法近似计算刚心、质心及偏心距后进行判断，还可以比较结构最远边缘处的最大层间变形和质心处的层间变形，其比值超过1.1者，可以认为扭转太大而结构不规则。

高层建筑不应采用严重不规则的结构布置，当由于使用功能与建筑的要求，结构平面布置严重不规则时，应将其分割成若干比较简单、规则的独立结构单元。对于地震区的抗震建筑，简单、规则、对称的原则尤为重要。

2、结构立体布置

规则，主要是指体型规则，若有变化，亦应是有规则的渐变。体型沿竖向的剧变，将使地震时某些变形特别集中，常常在该楼层因过大的变形而引起倒塌。

均匀是指上下体型、刚度、承载力及质量分布均匀，以及它们的变化均匀。结构宜设计成刚度下大上小，自下而上逐渐减小。下层刚度小，将使变形集中在下部，形成薄弱层，严重的会引起建筑的全面倒塌。如果体型尺寸有变化，也应下大上小逐渐变化，不应发生过大的突变。上部楼层收进使得体型较小的情况经常发生，但是对于收进的尺寸应当限制。收进的部位越高，收进后的平面尺寸越小，高振型的影响明显加大。如果上部楼层外挑，造成“头重脚轻”的状况，将使扭转反映明显加大，竖向地震影响也明显变大。

二、高层建筑结构设计的特点

1、水平力是设计主要因素

在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

2、侧移成为控制指标

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

3、抗震设计要求更高

有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、中震可修、大震不倒。

4、轴向变形不容忽视

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出不正确的结果。

三、高层建筑结构设计的优化

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。可见，水平荷载对高层建筑结构的影响大，侧向位移成为结构设计的主要控制目标之一。

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。

3、抗风结构设计的优化

3.1基础设计，抗风结构需要建立在结构稳定性的基础上， 一方面要采用级配比较高的砂石，保证回填材料的密实程度， 防止水平作用力对结构产生倾覆性的威胁，另一方面是在基础持力层的底部设置抗拔锚杆，通过锚杆钻孔、杆体制作安装、注浆等，提高抗拔锚杆的应用功能，使得地下室的基础具有足够的抗拔强度。

3.2耗能减振系统的设置，设计高层建筑非承重构件的时候，利用耗能减振系统减少风荷载对建筑物的作用，系统由耗能支撑、剪力墙、梁柱、楼板等构成，减振系统的设置在结构合理设计的基础上，还要采用粘弹性比较强的阻尼材料，提高其耗能减振的作用。

4、抗震结构设计的优化

4.1提高建筑物結构设计的规则性，合理设置抗侧力构件的位置，以此形成承载力的合理性分布体系，垂直方向需要通过抗侧力构件刚度和强度的提高，满足其连续和均匀稳定性。笔者通过相关的地震资料总结，抗侧力构件能够使得高层建筑物的结构在平面布置时处于对称状态，在一定程度上满足结构抗震的需求。

4.2地基的抗震设计，地基沉降现象是地震时建筑物结构破坏的最直接原因，当地基发生沉降的时候，建筑物的结构会发生开裂等破坏，因此，地基施工的时候，必须结合地震对其的破坏特点，进行针对性设计，一方面，简化建筑物的建筑平面，减少阴角的平面布置，将外部形状和高度存在差异性的建筑物以栋为单位分割，通过施工设计安排，提高地基的刚度和强度，另一方面则是将桩箱埋置在一定的深度内，将群桩、上部结构重点控制在同一直线上。

5、 优化消防结构的设计

5.1根据建筑物栋与栋之间的最近距离计算防火间距，最近距离是从外墙突出的构件边缘算起的。由于高层建筑的功能较多、规模较大，而且加上地理位置和建筑物耐火极限的能力都具有差别性，因此防火结构设计方面只能根据实际情况灵活变动，一是加强火灾时的隔断功能，二是增加灭火的结构功能设计，结构中将可燃物减少到最少状态，三是加强建筑结构的耐火能力，尤其是排烟方面的措施，达到防火安全的目的。

5.2在布置的时候，可设计前室防烟区和双向疏散的功能，并根据建筑物的可燃物性质和数量，估算火灾时火势和烟的蔓延速度，在合适的地点适当布置暂时性避难层和避难室。

结束语

根据建设规模，我国城市建设中占据比例最大的是高层建筑，而高层建筑结构的多变性和复杂性，使得结构设计工作成为建筑施工的重点和难点。面对高层建筑结构设计的相关问题，本文将对高层建筑抗风结构、消防结构和抗震结构三种常见结构的问题进行分析，在此基础上提出相应的结构设计建议。

参考文献

[1]汤龙辉；有关高层建筑结构设计中常见的问题分析；四川建材.2009年01期

[2]吴晓琳；浅析高层建筑结构设计与特点；中国高新技术企业.2009年11期

[3] 邱良. 高层建筑结构设计分析[J]. 科技风. 2009（20）

[4] 徐涛. 对高层建筑结构设计的分析[J]. 建材技术与应用. 2010（03）