高層建筑結構設計的淺析

摘要：隨著我國國民經濟不斷發展和人民生活的迅速提高。業主及建筑師的創新藝術使得鋼筋混凝土高層建筑發展被廣泛應用。高層建筑結構設計給工程設計人員提出了更高的要求，面對如此形勢，應該把高層建筑的結構設計放在首位加以研究。本文就結構設計中應注意的幾方面問題進行探討。

關鍵詞：高層建筑；結構；設計

高層建筑目前在我們的城市建設當中所占的比例是越來越大，而建筑結構設計方面的變化也越來越多，很多新興的結構設計方案以迅猛的速度呈現在我們的城市建設中。建筑類型與功能越來越復雜，高層建筑的數量口漸增多，高層建筑的結構體系也是越來越多樣化，高層建筑結構設計也越來越成為高層建筑結構工程設計工作的難點與重點。

一、高層建筑結構受力方面

對于一個建筑物的最初的方案設計，建筑師考慮更多的是它的空間組成特點，而不是詳細地確定它的具體結構。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩定和水平方向的穩定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構件所組成，因此結構必須能將它本身的重量傳至地面，結構的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關系，所以，在建筑設計的方案階段，就必須對主要的承重柱和承重墻的數量和分布作出總體設想。

對于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結構體系的設計基本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加。豎向結構體系成為設計的控制因素，其原因有兩個：①較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒；②側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。

與豎向荷載相比，側向荷載對建筑物的效應不是線性增加的，而隨建筑高度的增高迅速增大。高層建筑的結構受力性能與低層建筑有很大的差異。

二、結構選型階段

（一）結構的規則性問題。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，例如：平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，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。

（二）結構的超高問題。抗震規范與高規中。對結構的總高度都有嚴格的限制，尤其是新規范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為A級高度的建筑外，增加了B級高度的建筑，因此。必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為B級高度建筑甚或超過了B級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。

（三）嵌固端的設置問題。于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協調等等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。

三、高層建筑結構設計方面的原則

（一）選用適當的計算簡結構計算式在計算簡圖的基礎上進行的，計算簡圖選用不當則會導致結構安全的事故常常發生，所以選擇適當的計算簡圖是保證結構安全的重要條件。計算簡圖還應有相應的構造措施來保證。實際結構的節點不可能是純粹的鉸結點和剛結點，但與計算簡圖的誤差應在設計允許范圍之內。

（二）選擇合適的基礎方案。礎設計應根據工程地質條件，上部結構類型與載荷分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進行綜合分析，選擇經濟合理的基礎方案，設計時宜最大限度地發揮地基的潛力，必要時應進行地基變形驗算。基礎設計應有詳盡的地質勘察報告，對一些缺少地質報告的建筑應進行現場查看和參考臨近建筑資料。

（三）合理選擇構方案。合理的設計必須選擇一個經濟合理的結構方案，也就是要選擇一個切實可行的結構形式和結構體系。結構體系應受力明確，傳力簡捷。同一結構單元不宜混用不同結構體系，地震區應力求平面和豎向規則。總而言之，必須對工程的設計要求、材料供應、地理環境、施工條件等情況進行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業充分協商，在此基礎上進行結構選型，確定結構方案，必要時應進行多方案比較，擇優選用。 3.4 正確分析計算結果。結構設計中普遍采用計算機技術，但是由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導致不同的計算結果。因此設計師應對程序的適用范圍、條件等進行全面了解。在計算機輔助設計時，由于結構實際情況與程序不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會導致錯誤的計算結果，因而要求結構工程師在拿到電算結果時應認真分析，慎重校核，做出合理判斷。

（四）采取相應的構造措施：結構設計始終要牢記“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓若拉原則”，注意構件的延性性能；加強薄弱部位；注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的執行段錨固長度；考慮溫度應力的影響力。

四、抗震分析與設計在高層建筑的應用

為了滿足地震作用下對結構的功能要求，我們在對高層設計時，有必要計算和研究結構的彈塑性變形能力。現代國內外抗震設計的發展趨勢，結構彈塑性分析成為抗震設計的必要的組成部分，根據對結構在不同超越概率水平的地震作用下的性能或變形要求來進行設計。

在我國高層建筑的抗震分析與設計中常見的問題有以下幾種：首先是高度問題，對于高層的建筑物，我們應該采取科學謹慎的態度。隨著建筑物高度的不斷增加，很多影響因素都會發生質變，即一些參數本身超出現有規范的適宜范圍，如延性要求、材料性能、安全指標、荷載取值等，在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞形態會發生很大的變化。其次是軸壓比與短柱問題，在鋼筋混凝土的高層建筑結構中，為了控制柱的軸壓比而讓柱的截面很大，但柱的縱向鋼筋卻是構造配筋。由于柱的塑性變形能力小，所以結構的延性就差，當遭遇地震時，吸收和耗散地震的能量少，結構就特別容易被破壞。第三是材料選用和結構體系的問題。在高層建筑中，我國鋼筋混凝土結構及混合結構占了90%，然而國外特別在地震區，是以鋼結構為主。如此高的鋼筋混凝土結構及混合結構，國內外也都還沒有經受較大地震作用的考驗。依據現在我國建筑鋼材的品種、類型和鋼結構的加工制造能力，應盡可能采用鋼管混凝土（柱）結構、鋼骨混凝土結構或鋼結構，以減小柱斷面的尺寸，并改善結構的抗震性能。第四，在一些烈度區采用了構造措施和較低的抗震措施。有人提出要在設防烈度下采用彈性設計，特別是高烈度區要有嚴格的抗震構造措施抗和震措施來保證結構的安全。現在不少專家學者提出，現行的建筑結構設計安全度已不能適應國情的需要。

五、結束語

結構設計是一項集結構分析，計算機技術以及數學優化方法于一體的綜合性技術工作，它不僅是一門實用性很強的工作，更是一項對國家建設有重大意義的工作。如今建筑發展更是一個集約化、高效化的綜合系統工程。建筑設計者應該以當今經濟現狀和發展趨勢為出發點，建立一個合理的、宏觀的結構設計理念，合理確定建筑設計標準、經濟性措施和原則，這樣不僅可以滿足設計的各類需求，更能改善人類的居住環境。