高層建筑結構設計的特點及注意事項

呂敏

（淮北市建筑勘察設計研究院有限公司，安徽 淮北 235000）

1 高層建筑結構設計的特點

1.1 水平力是設計主要因素

在低層和多層房屋結構中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結構設計產生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化。

1.2 側移成為控指標

與低層或多層建筑不同，結構側移已成為高層結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結構的側向變形迅速增大，與建筑高度H的4次方成正比（△＝qH4/8EI）。

另外，高層建筑隨著高度的增加、輕質高強材料的應用、新的建筑形式和結構體系的出現、側向位移的迅速增大，在設計中不僅要求結構具有足夠的強度，還要求具有足夠的抗推剛度，使結構在水平荷載下產生的側移被控制在某一限度之內。

1.3 抗震設計要求更高

有抗震設防的高層建筑結構設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結構具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

1.4 減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要

高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意昧著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層數，這在軟弱土層有突出的經濟效益。

1.5 軸向變形不容忽視

采用框架體系和框架——剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸壓應力往往大于邊柱的軸壓應力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，此種軸向變形的差異將會達到較大的數值，其后果相當于連續梁中間支座沉陷，從而使連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。

1.6 概念設計與理論計算同樣重要

抗震設計可以分為計算設計和概念設計兩部分。高層建筑結構的抗震設計計算是在一定的假想條件下進行的，盡管分析手段不斷提高，分析的原則不斷完善，但由于地震作用的復雜性和不確定性，地基土影響的復雜性和結構體系本身的復雜性，可能導致理論分析計算和實際情況相差數倍之多，尤其是當結構進入彈塑性階段之后，會出現構件局部開裂甚至破壞，這時結構已很難用常規的計算原理去進行分析。實踐表明，在設計中把握好高層建筑的概念設計也是很重要的。

根據商保公司經辦城鄉居民基本醫保模式主要要素，總結分析商保機構經辦城鄉居民基本醫保的試點情況。依據理論研究和實踐結果，目前安徽省商保公司經辦城鄉居民基本醫保試點初步形成的模式主要是委托經辦模式，即：政府將業務委托商保公司，按照協議由后者獲取適當的經辦費用，提供經辦服務。在委托經辦模式中，按照經辦費用來源已初步形成委托經辦支付費用模式、委托經辦不支付費用模式兩種。每一大類中，按照經辦服務內容、經辦費用獲取方式、基金風險承擔實際運行情況又可分不同的模式。見表2

2 高層建筑的結構體系

2.1 框架一剪力墻體系。從結構體系上看由于它平面布置靈活，空間大，能適應較多功能的需要，當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設置較大的剪力墻來代替因此成為高層建筑的主要結構形式。但是，框架結構的側向剛度較小，在一般節點連接情況下，當承受側向的風力或地震作用時，將會有較大的變形。因此，限制了這種結構形式的建造高度和層數但是在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系。

2.2 剪力墻結構體系。為了滿足更高層數的要求，出現了較高層數的剪力墻結構。剪力墻結構具有良好的側向剛度和規整的平面布置，按照功能要求，設置自下而上的現澆鋼筋混凝土剪力墻，對抵抗側向風力和地震作用是十分有利的，剪力墻體系屬剛性結構，其位移曲線呈彎曲型。有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結構體系因此它允許建造的高度遠遠高于框架結構。

2.3 筒體體系。筒體結構是近年來發展起來的新體系，凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系，它的出現滿足了高層建筑更高層數的要求，包括單筒體、筒體一框架、筒中筒、多束筒等多種形式。筒體是一種空間受力構件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結構單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。筒體結構具有很好的整體性和抗側力性能，在平面布置和滿足功能要求方面也有明顯的優勢，為眾多高層和超高層建筑結構所采用。

3 高層建筑結構設計應注意的問題

3.1 結構選型。對于高層建筑結構而言，在工程設計的結構選型階段應注意以下幾點：

3.1.1 結構的規則性問題。新舊規范在這方面的內容出現了較大的變動，新規范在這方面增添了相當多的限制條件。而且，新規范采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。”因此，結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

3.1.2 結構的超高問題。對于超高限建筑物,應當采取科學謹慎的態度。因為在地震力作用下,超高限建筑物的變形破壞性態會發生很大的變化。隨著建筑物高度的增加,許多影響因素將發生質變,即有些參數本身超出了現有規范的適宜范圍,如安全指標、延性要求、材料性能、荷載取值、力學模型選取等。，因此，必須對結構的該項控制因素嚴格注意。

3.2 地基與基礎設計

對高層建筑來說，在抗震設計中，房屋的高寬比是一個需慎重考慮的問題。不僅僅由于該階段設計過程的好與壞將直接影響后期設計工作的進行，同時，也是地基基礎整個工程造價的決定性因素，在這一階段，所出現的問題也有可能更加嚴重甚至造成無法估量的損失。在地基基礎設計中要注意地方性規范的重要性問題。

3.3 結構計算與分析

在結構計算與分析階段，如何準確，高效地對工程進行內力分析并按照規范要求進行設計和處理。

3.3.1 首先基本選定結構方案后,緊接著就是高層結構設計的核心部分--結構計算由于新規范的推出對結構整體計算和分析部分內容進行了調整和改進，因此，對這一階段比較常見的問題應該有一個清晰的認識。

3.3.2 周期折減系數，在高層結構中設置了非結構的砌體填充墻,在結構計算時應考慮其對主體結構的影響。周期的折減應考慮到門窗洞口的設置對周期的影響,不同的結構類型和填充墻的多少也決定了周期折減系數的取值,而不能一概而論。

3.3.3 振型數目是否足夠。陣型數的多少與結構的層數有關,對振型的取值都有較為明確的規定。在新規范中增加一個振型參與系數的概念，并明確提出了該參數的限值。因此,在計算分析階段,根據規范要求對計算結果進行判斷,并決定是否要調整振型數目的取值

4 結束語

總之，高層建筑結構設計是一個長期、復雜甚至循環往復的過程，高層建筑結構設計中應根據實際情況做好結構分析，多做方案比較。否則任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設計過程變得更加復雜或使設計結果存在不安全因素。

[1]吳景祥.高層建筑設計［M］.北京：中國建筑工業出版社,1987.

[2]包世華,方鄂華.高層建筑結構設計［M］.北京:清華大學出版社,1990.