刍议城市高层建筑结构设计与相关问题-月期刊网建筑设计论文

刍议城市高层建筑结构设计与相关问题
周巨美
摘要；目前，我国经济的快速发展，带动相关的建筑产业。未来高层建筑在我国的建筑业中具有强大的发展潜力。针对这种趋势，在高层建筑建设中，应该将高层建筑结构设计放在首位，建筑结构设计就是建筑结构设计人员对所要施工的建筑的表达。本文围绕高层建筑结构，对高层建筑结构设计的原则与特点以及相关问题，作出了简要的分析。
关键词；高层建筑；结构设计；设计特点；过程；相关问题分析
结构设计简而言之就是用结构语言来表达建筑师及其它专业工程师所要表达的东西，用基础，墙、柱、粱、板、楼梯及大样细部等结构元素来构成建筑物的结构体系，包括竖向和水平的承重及抗力体系，把各种情况产生的荷载以最简洁的方式传递至基础。
1 高层建筑结构的受力特点
对于一个建筑物的最初的方案设计，建筑师考虑更多的是它的空间组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是很重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是必须搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基上的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承载重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。
对于低层、多层和高层建筑，竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的，但是，随着高度的不断增加，竖向结构体系成为设计的控制因素，其原因有两个：一，较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒；其二，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。
与竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的，而随建筑高度的增高迅速增大。例如在所有条件相同时，风荷载作用下，建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比，而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比，地震的作用效应更加明显。在高层建筑中，问题不仅仅是抗剪，而更重要的是整体抗弯和抵抗变形。可见，高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异。

2 高层建筑结构的设计要点
2.1 轴向变形不容忽视：高层建筑中，竖向载荷很大，能在柱中引起较大的轴向变形，对连续梁弯矩产生影响，造成连续粱中间支座处的负弯矩减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；此外还会对预测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，会得出偏于不安全的结果。
2.2 结构延性是重要设计指标：相对于底层建筑而言，高层建筑的结构更柔和一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使高层建筑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。
2.3 水平荷载成为决定因素：一方面，因为高层建筑楼房自重和楼面使用荷载在竖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引起的轴力，是与楼房高度的二次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，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，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

3 高层建筑结构的设计过程
结构设计的阶段大体可以分为三个阶段，结构方案阶段．结构计算阶段和施工图设计阶段。方案阶段的内容为：根据建筑的重要性，建筑所在地的抗震设防烈度，工程地质勘查报告，建筑场地的类别及建筑的高度和层数来确定建筑的结构形式(例如砖混结构，框架结构，框剪结构，剪力墙结构，筒体结构，混合结构等等以及由这些结构来组合而成的结构形式)。确定了结构的形式之后就要根据不同结构形式的特点和要求来布置结构的承霞体系和受力构件。结构计算阶段的内容为：首先，荷载的计算。荷载包括外部荷载(例如风荷载、雪荷载．施工荷载、地下水的荷载、地震荷载、人防荷载等等)和内部荷载(例如结构的自重荷载、使用荷载、装修荷载等等) 上述荷载的计算要根据荷载规范的要求和规定采用不同的组合值系数和准永久值系数等来进行不同工况下的组合计算。其次，构件的试算。根据计算出的荷载值，构造措施要求，使用要求及各种计算手册上推荐的试算方法来初步确定构件的截面。再次，内力的计算，根据确定的构件截面和荷载值来进行内力的计算，包括弯矩、剪力、扭矩、轴心压力及拉力等等。最后构件的计算。根据计算出的结构内力及规范对构件的要求和限制(比如轴压比、剪跨比、跨高比、裂缝和挠度等等) 来复核结构试算的构件是否符合规范规定和要求。如不满足要求则要调整构件的截面或布置直到满足要求为止。

4 高层建筑结构设计的相关问题
4.1 结构的超高问题：在抗震规范和高规范中，对结构的总高度有着严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度以外，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。
4.2 短肢剪力墙的设置问题：在新规范中，对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
4.3 嵌固端的设置问题：由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
4.4 结构的规则性问题：新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
5 结术语
通过对上述分析．不难发现有很多关于结构设计构造措施都需要进一步在实践中得到证明，作为一个设计人员，应不断发现这些问题，使自己能够从理论到实践，再上升到理论，这样会促进自身设计水平的提高。
参考文献
[1] 张吉人建筑结构设计施工质量控制 [M]中国建筑工业出版社2008