浅析高层建筑结构设计

　　摘要：对一个工程师来说，在设计一个业主所梦寐以求的高层建筑物时，设计人员到底应该做些什么?而且应该怎样去做才能做得更好?业主花钱请工程师帮助设计他所想要的房屋，他要的不仅仅是你的“规范+计算”，更不是“规范+一体化计算机设计程序”而是借用你作为一个工程师本应具有的结构设计概念、经验、悟性、判断力和创造力。创新才是工程师对设计、对业主和社会的最大贡献。

　　关键词：高层建筑，结构设计，设计特点

　　一、前言

　　高层建筑是社会经济发展和科技进步的产物。随着大城市的发展，城市用地紧张，市区地价日益高涨，促使近代高层建筑的出现，电梯的发明更使高层建筑越建越高。宏伟的高层建筑是经济实力的象征，具有重要的宣传效应，在日益激烈的商业竞争中，更扮演了重要的角色。

　　二、高层建筑结构体系的选择

　　高层建筑结构是否合理、经济的关键就是高层建筑抗侧力结构体系的选择是否合理，抗侧力结构体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、框架-核心筒、筒中筒等。对结构选型来说，没有普遍使用的选择标准，往往是随着建筑的环境、功能要求有所变化，每一选择都有其优劣，这就需要结构工程师认真地对比和考虑。例如：框架结构建筑平面布置灵活，构件类型少，设计和施工都较简单，但其抗侧刚度小，当建筑较高时，梁柱截面大，影响室内使用空间;剪力墙结构整体性好，抗侧刚度大，侧移小，但其平面布置不灵活，一般适用住宅及旅馆;而框架-剪力墙结构则综合了框架结构和剪力墙结构的优点，并可以设计成双重抗侧力体系，框架-剪力墙结构设计中要注意的就是剪力墙的布置要均匀，刚心与质心重合或相近，且剪力墙数量不宜过多，满足规范的侧移限值即好。框架-核心筒的受力性能与框架-剪力墙相同，由于外框架间距大，使得建筑空间大而灵活，采光好，是高层公共建筑和办公用房的理想选择，在高度较高时，还可以加伸臂减小侧移。筒中筒结构由于柱距小近年已较少应用。

　　三、高层建筑结构设计特点

　　1.水平荷载成为决定因素。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。

　　2.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，会得出偏于不安全的结果。

　　3.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。

　　4.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。

　　四、高层建筑结构设计的基本原则

　　1以承载力、刚度、延性为主导目标，实施多道防线、刚柔结合的结构形式。即应具有一定大的刚度和承载力来抵御风荷载和小震，随着第一道防线破坏，结构变柔后仍有足够大的弹塑性变形能力和延性耗能能力来抵御未来可能遭遇的罕遇大震。

　　2在对结构进行分析计算时，应该运用最简单、最直接、概念最清楚的计算方法，将结构的受力与传力途径设计成简单、直接、明确。尽可能避免出现以抗扭为主导的关键性传力构件。

　　3尽可能使结构平面布置的正交抗侧力刚度中心(简称刚心)和建筑物表面力(风力)作用中心或质量重心(质心)靠近或重合，以避免或减小在风荷载或地震作用下产生的扭转效应。

　　4建筑物竖向布置的抗侧力刚度构件也最好设计成均匀、连续，避免出现软弱层和上下层间的剪切刚度、弯曲刚度和轴压刚度的突变。

　　5应重视上部结构与其支承结构整体共同作用的机理，即传力与受力结构两者之间的共同作用;例如，在高层建筑的箱基和筏基的底板设计中，计算软件无法进行上部结构-地下室-地基基础的相互作用分析，计算出来的底板内力远远大于底板实际受到的内力。

　　五、高层建筑结构设计的设计思路

　　1.屋面活荷载取值

　　框架荷载取0.3kN/m2已经沿用多年，不打算修改。但屋面结构，包括屋面板和檩条，其活荷载要提高到0.5kN/m2。《钢结构设计规范》征求意见稿规定不上人屋面的活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6。门式刚架一般符合此条件，所以可用0.3kN/m2，与钢结构设计规范保持一致。国外这类，要考虑0.15-0.5N/m2的附加荷载，而我们无此规定，遇到超载情况，就要出安全问题。现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有克扣荷载情况，今后应特别注意，决不允许在有限的活荷载中“挖潜”。

　　2.屋脊垂度要控制

　　框架斜梁的竖向挠度限值一般情况规定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度?过去不明确，现在了解到，美国是计算的。他们作框架分析，一般是将构件分段，用等截面程序计算，每段都要计算水平和竖向位移，不能大于允许值，等于要验算跨中垂度。跨中垂度反映屋面竖向刚度，刚度太小竖向变形就大。屋面刚度本来就小，脊点下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面竖向刚度过小，第一榀刚架与山墙间的屋面出现斜坡，使屋面变形。现在打算做个规定，刚架侧移后，当山尖下垂对坡度影响较大时(例如使坡度小于1/20)，要验算山尖垂度，以便对屋面刚度进行控制。

　　3.钢柱换砼柱

　　少数单位设计的门式刚架，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与砼柱中的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用砼柱和钢桁架组成的框架，但此时梁柱只能铰接，不能刚接。多高层建筑中，钢梁与墙的连接也是如此。因为混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能合并，在外力作用下很容易松动和破坏。还有的单位，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变。应当指出，砼柱加钢梁作成排架是可以的，但将刚架的钢柱换成砼柱，而钢梁不变，是不行的。由于连接不同，构件内力也不同，有的工程斜梁很细，可能与此有关。建筑结构是一门科学，如果不按科学办事，是要吃苦头的。今后国家要执行建筑法，实行强制性条款，违反其中一项，出了工程事故，是要受罚的。

　　六、高层建筑抗震设计应注意的问题

　　在高层建筑的抗震设计中，概念设计的思想也得到延伸，所以结构工程师必须对结构地震破坏机理有深刻的认识，对地震试验研究成果有一定的理解，这样才能从概念上作出判断，并采取措施。我国的抗震设防目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。抗震结构构件必须有足够大的承载能力，足够的刚度、延性和耗能能力，以达到抗震设防目标。在同一地震作用下，刚度小的结构变形大，刚度大的结构变形小，所以，对同种材料而言，钢筋混凝土框架结构比设置了剪力墙的钢筋混凝土结构震害严重。另外，建筑的体型和结构总体布置也是在抗震设计值得特别重视的，平面形状上宜简单、对称、避免过多的外伸、内凹、避免细腰形和角部重叠平面;电梯、楼梯的布置尽量避免布置在端角和凹凸处;避免错层布置等。建筑立面也应是规则、均匀、从上到下外形变化不大，没有过多的外挑内收，避免突变。还有一点就是建筑的非结构构件与建筑主体结构必须存在可靠连接，使其在地震时不脱落，以免发生倒塌伤人。

　　七.结论

　　随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式，材料，力学分析模型都将日趋复杂多元，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。

　　[参考文献]

　　[1]肖峻.高层建筑结构分析与设计[J].中化建设，2008，(12).

　　[2]范小平.高层建筑结构概念设计中相关的几个问题应用分析[J].福建建材，2008，(6).全