分析高层建筑结构设计的要素

摘要：高层建筑目前在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大，而建筑结构设计方面的变化也越来越多，很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中。建筑类型与功能越来越复杂，高层建筑的数量逐渐增多，高层建筑的结构体系也是越来越多样化，高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。面对如此形势，应该把高层建筑的结构设计放在首位加以研究。

关键词：高层建筑;结构;设计;探讨

1 结构分析与设计特点

1.1水平载荷成为决定因素

任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。在较低楼房中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，水平荷载产生的内力和位移很小，对结构的影响也就较小;但在较高楼房中尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，水平荷载却起着决定性的作用。随着楼房层数的增多，水平荷载愈益成为结构设计中的控制因素。一方面，因为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，仅与楼房高度的一次方成正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中所引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比;另一方面对某一高度楼房来说，竖向荷载的风荷载和地震作用，其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

1.2轴向变形不容忽视

通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了。由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。对连续梁弯矩的影响：采用框架体系和框一墙体系的高楼中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩增大。对构件剪力和侧移的影响，与考虑竖向杆件轴向变形的剪力相比较，不考虑竖杆件轴向变形时，各构件水平剪力的平均误差达30%以上，结构顶点侧移减小一半以上。

1.3侧移成为控制指标

与低层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力;还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。

1.4结构延性是重要设计指标

相对低层结构而言，高层结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使建筑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以恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

2 高层建筑的结构体系

2.1框架一剪力墙体系

在框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架一剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够剐度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架一剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。因为剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋干均匀，所以框架一剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

2.2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。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。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，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架一剪力墙体系。

2.3简体体系

通常采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，包括单筒体、简体一框架.简中筒、多束筒等多种型式。简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嗣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。

3 加强高层建筑结构设计的思路分析

3.1加强建筑结构的选型设计

结构工程的选型设计对结构的安全使用及寿命有着非常重要的作用，合理的概念设计是高层建筑设计成功的核心因素之一。首先，合理选择流线型的建筑体型，比如截锥形或类似体型较为常用，其体型系数相对较小，有利于抗凤。另外在进行结构平面布置时，平面形状和刚度分布尽量保持均匀对称，有利于结构的稳定和力学平衡，同时也可以减轻扭转效应的影响。其次，要加强高宽比的设计。高层建筑结构高宽比的规定是对结构整体刚度、抗倾覆能力、整体稳定、承载能力以及经济合理性的宏观控制指标，从大量的工程实践经验来看。合理的高宽比能取得实用、经济的效果。

3.2加强高层建筑剪力墙结构的设计

3.2.1避免出现独立小墙肢与剪力墙刚度不宜过大

《高规》)中规定：“矩形截面独立墙肢的截面高度hw不宜小于截面宽度bw的5倍。”如果出现不满足规范要求的情况，墙肢轴压比、配筋就受到严格的限制，后续的设计施工的难度无疑增加。因此，在实际设计中，可以采用尽力合并洞口、合理布置剪力墙使小墙肢成为墙体翼缘的措施，这样结构受力性能得到大大的改善。

3.2.2加强转换层结构设计

当高层建筑功能要求相对提高，比如一栋建筑物的中上部和下部使用功能不同时，此时结构布置也应作相应的改变，只有通过设置转换构件来衔接传递上下结构的荷载，达到功能的满足。

3.2.3底部加强部位的设计

在剪力墙设计时，一般高层剪力墙结构，底部加强部位的高度可取嵌固部位以上墙肢总高度的1/8和底部两层高度二者的较大值;底部带转换层的高层建筑结构。当将地下室顶板视作嵌固部位，在地震作用下的屈服部位将发生在地上楼层，同时将影响到地下1层，此时地下l层的抗震等级不能降低，加强部位的范围应向下延伸到地下l层。并应按规范要求在地下l层设置约束边缘构件。

3.3加强高层建筑结构的计算与分析

随着计算机技术以及结构设计理论的发展和完善，计算机软件在结构设计中的使用日益增多。但是，数值计算并不能完全替代人的主要设计概念，因为在充分利用计算机设计的过程中，必须充分了解软件设计的内在要求和适用性。总之，在结构的计算和分析阶段，必须在保持对计算和分析过程、结果有充分认识的基础上，准确的利用计算软件根据规范进行深入细化的计算和分析，这一处理结果的好坏实际上也决定了设计质量好坏的关键。SATWE、TAT、ETABS、SAP，MIDAS等式目前比较通用的结构分析软件。但是。软件自身都有其自身的计算特点，因此不通的软件计算分析的结果可能有所区别，此时需要设计人员的主观判断。最合理的做法是，根据工程整体结构计算的要求，选择合适的软件来建立合理精确地模型，对不同软件计算的结构进行横向比较，为最终的设计工作奠定基础。

4结语

近些年来，我国的高层建筑建设发展迅速。但从设计质量方面来看，并不理想。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。建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析掌握的知识处理实际建筑设计中遇到了各种问题。