对高层建筑结构设计的探讨

袁保国

摘 要：近些年来，我国的高层建筑建设发展迅速。高层建筑其高难度，高技术，高风险都需要大量技术工作人员去解决，高层建筑结构设计是一个复杂、长期、循环往复的过程，结构设计工程师在设计的过程不仅要严格执行新规范中相应的构造要求，还要结合实际情况，进行结构分析并且制定多种方案进行比较分析，只有这样才能从根本上消除设计质量的隐患。

关键词：高层住宅建筑；结构设计；探讨

高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。

一、高层建筑结构设计的特点

主要特点有：

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、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，会得出偏于不安垒的结果。

5、结构延性是重要设计指标

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

二、高层建筑结构设计的要点

1、结构的超高问题

抗震规范中对建筑结构的总高度进行了严格限制，新规范中增设了B级高度，这与原来设定的A级高度在处理办法方面有很大的改变。所以在工程实践中，就要充分考虑建筑的超高问题及处理措施，在结构设计过程中要充分根据工程的实际进行抗震设计，防止建筑物结构过高导致的不安全因素。一旦在工程实际过程中忽视建筑物的超高问题，在工程后续施工过程中就会出现一系列的问题，这就会对工程工期和效益造成严重的损害。

2、短肢剪力墙设置问题

短肢剪力墙在规范中是这样定义的：墙肢截面高厚比为5-8的墙。实践表明，短肢剪力墙在高层建筑中的运用有更多的因素加以限制。因此，高层建筑结构设计过程中，就应当根据情况尽可能少的使用就要尽量避短肢剪力墙，从而减少由于短肢剪力墙的使用造成了不必要的麻烦，所以，在高层建筑的设计过程中，要特别注重工程的细节问题，从而提高工程建设的进度。

3、嵌固端的设置问题

高层建筑通常都有地下室和人防，由此嵌固端的设置位置可能在地下室顶板，也有可能在人防的顶板。在进行高层建筑结构设计的过程中，结构设计人员要特别注意嵌固端的设置问题，防止由于嵌固端设置所造成的问题。比如说嵌固端上下抗震等级的一致性问题和抗震缝设计与嵌固端位置的协调问题等等，由此可能造成结构设计的不合理，导致安全隐患的产生。

三、高层建筑结构类型

1、框架结构体系

整个结构的纵向和横向全部由框架构件组成的结构成为框架结构。框架既负担重力荷载又负担水平荷载。框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可提供较大的内部空间。但由于结构属于柔性结构体系，在水平荷载作用下，强度低，刚度小，水平位移大，在高烈度地震区不宜采用。目前，主要适用于10～12层左右的商场，办公建筑。如果过高，就要靠加大梁，柱截面来抵抗水平荷载，从而导致结构的不经济，因此在高层建筑的使用时应该重点考虑。

采用框架结构的高层建筑，框架底层往往出现塑性变形集中现象。这是因为建筑地面以下基础部分的抗推刚度很大，相对而言，建筑底层的抗推刚度就很小，形成刚度突变。在遭遇地震时，建筑容易因框架底层的塑性变形集中而导致破坏。如果在框架的地上一二层采用型钢混凝土，可以减小该处的刚度突变。

2、剪力墙结构体系

剪力墙结构中竖向承重结构全部由一系列横向和纵向的钢筋混凝土剪力墙组成，剪力墙不仅承受重力荷载作用，而且还要承受风，地震等水平荷载的作用。同框架结构相比，该结构测向刚度大，侧移小，属于刚性结构体系。从理论上讲，它可建造上百层的民用建筑（如朝鲜平壤的柳京大厦）；但从技术经济的角度来讲，地震区的剪力墙一般控制在35层，总高110米为宜。由于剪力墙的间距比较小，一般为3～6米，所以建筑平面布置不够灵活，使用受限制。

3、筒体结构体系

凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，包括单简体、简体一框架、简中简、多束简等多种型式。简体是一种空间受力构件，分实腹简和空腹简两种类型。实腹简是由平面或曲面墙围成的二维竖向结构单体，空腹简是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。简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。

四、高层建筑结构的抗风、抗震、消防设计

1、抗风结构优化設计

在基础设计上，要使用配比较高的砂石来保证地基的密实度，同时还要设置抗拔锚杆，以此来提高建筑基础的抗拔强度。在减振系统设计上，要多利用耗能支撑、剪力墙、楼板等组成的耗能减振系统来减少风荷载对高层建筑的影响。对于风荷载与水平力的问题，要对高风压区进行加固。这主要是从水平压力、水平荷载内力等方面进行综合考虑，来为高层建筑进行加固设计。

2、抗震结构优化设计

①提高结构设计的整体规则性，以此确保承载力体系分布的合理性。②改善地基的抗震设计，即在简化建筑平面、提高地基的强度与高度的同时，将上部结构的重点和群桩设置在同一直线之上。③在剪力墙的设计方面，要提高高层建筑承重结构的抗侧力，以此来满足承载力的耗能与延续性，这样可以有效地提高高层建筑的抗震能力。

3、消防结构优化设计

①防火间距上的设计，在设计时要全面的考虑间距在火灾中的隔断、灭火功能，同时在设计时还要考虑到建筑结构的耐火性问题以及排烟的问题。②对安全疏散结构进行合理的设计，这主要是为了解决火灾中的疏散困难，在设计上：a.注意防烟区的设置；b.注意双向疏散方面的设计，如合理安排避难层等。

五、结束语

随着高层建筑进一步的发展，高层结构的设计越发重要起来，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。为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。