淺議高層建筑結構設計

陳 穎 韓 斐

（1.浙江省建工建筑設計院有限公司 ； 2.浙江綠城六和建筑設計有限公司，浙江 杭州 310000）

1、高層建筑結構的特點

1.1 整體結構更具有柔和性

與底層建筑相比，高層建筑的整體結構更具有柔和性的特點，在地殼運動和具有震動性環境中極易發生變形，導致建筑物的傾斜，倒塌。因此高層建筑的結構延展性應當作為高層建筑結構設計的一個重要設計指標，在構造上采取適當的措施來避免高層建筑塑性變形階段之后延展能力的喪失，使其具有更強的抗震性和結構穩定性，從而保障住戶的生命財產安全。

1.2 豎向載重負荷較大

高層建筑的第一個特點就在于豎向利用空間，這也是在現代城市寸土寸金情形下成為城市建設設計寵兒的首要原因。高層建筑的豎向載荷很大，就可能在柱中引起較大的軸向變形，這樣一來，一方面對連續梁彎矩會產生較為嚴重的影響，對于連續梁中間支座處的負彎矩而言，就會導致負彎矩減小，而對于跨中正彎矩和端支座負彎矩值而言，就會導致兩者的擴張，不利于高層建筑的穩固性。另一方面，對于構件下料長度的預測，是依據軸向變形的計算值來對下料長度進行逐步調整，一旦對軸向變形計算值不準，會進一步影響構件剪力和側移，從而會導致建筑的不安全因素增加。因此，鑒于高層建筑豎向載重負荷較大的特點，要充分考慮軸向變形的程度。

1.3 水平荷載的重要作用

所謂水平荷載是指，物體受水平方向的作用力，在高層建筑的設計時，一旦高度確定，其豎向荷載基本上為定值，變動幅度不大，而建筑的穩定性是與高層建筑的荷載能力與建筑高的比值度緊密相關的，一般而言，建筑高度與建筑物自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值為正相關，而水平荷載對結構產生的傾覆力矩和由此在豎構件中引起的軸力的數值，是與建筑高度的平方成正比，因此豎向荷載大體定值的情況下，可以通過結構特性不同可以改變的水平荷載就成為設計時重點注意的地方，將水平荷載的風荷載和地震作用數值通過合理的結構設計控制在有利于建筑的最完美的狀態。

2、高層建筑結構設計的原則

2.1 精確原則

這體現在結構計算簡圖選擇和合理誤差的處理上，建筑結構計算式計算結果的精確性是關系到整體結構安全的重要因素，因此在計算簡圖的選擇上要選用得當，保證計算結果的精確性，同時計算簡圖還應有相應的構造措施來保證。在實踐中，結構的節點不可能是純粹的鉸結點和剛結點，因此要考慮到計算簡圖的合理誤差，在結構實際情況與程序不符的情況下，要求結構工程師多加校對分析，合理判斷。

2.2 合理原則

這體現在合理基礎方案和結構方案的選擇上，結合場地實際情況充分考慮。在基礎方案的選擇上要根據工程地質條件，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綜合分析，必要時應進行地基變形驗算，將地基的價值發揮到最大。鑒于基礎深埋對高層建筑的重要影響，在高層建筑中可以加入地下室的設計，地下室外墻建議采用鋼筋鹼墻，頂板厚不宜小于160mm，具有較大的層間剛度的地下室利于高層建筑的整體穩定，調整地基不均與沉降。

2.3 靈活原則

要認識到結構設計不是一成不變的，要根據實際情況時刻加以調整的。高層建筑具有工程量大，設計環節多的特點，因此工程設計師要時刻謹記“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓若拉”這一原則，在施工的過程中，要注意構件的延性性能，對設計中的薄弱部位予以加強，充分考慮溫度應力的影響力，此外，還要對材質的性能加以考量，例如鋼筋的錨固長度，特別是鋼筋的執行段錨固長度。

3、高層建筑結構設計中的具體問題

3.1 剪力墻設計問題

短肢剪力墻是指為墻肢截面高厚比為5～8的墻，新規范根據實驗數據和實際經驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，這樣一來工程設計 師在高層建筑的設計時就應避免使用短肢剪力墻，以減少后續工作中的麻煩。選擇較長剪力墻的設計時，加入開洞設計，但是要注意當墻段高寬比大于2時一般為彎曲破壞，墻段高寬比小于2時一般為剪切破壞，因此每個獨立墻段的總高度與其截面高度之比不應小于2，這樣可以充分提高剪力墻的延性，避免高層建筑的脆性破壞。另外，考慮到單片剪力墻若承擔過大的水平剪力可能會被最先破壞，就會導致結構抗側力構件依次被破壞，因此在開洞時要形成弱連梁，這樣就要求開結構洞時一定要開大洞，連梁跨高比宜大于6，這樣才能使較長剪力墻開洞后形成兩個較獨立的墻肢，避免洞口較小時剪力墻因為側向剛度較大，遭到剪切脆性破壞，但是應當注意的是，墻肢截面高度不宜大于8m，否則不利于高層建筑結構的整體穩定。

3.2 嵌固端的設計問題

嵌固端的選取是高層建筑結構計算中尤為重要的簡化假定，嵌固端大多設置在地下室頂板或者設置在人防頂板等位置，在高層建筑中，二層或者二層以上的地下室和人防是普遍設計的，也就是說嵌固端在高層建筑中是一個較為頻繁的應用，若是忽略這些問題將會給后期的設計工作帶來極大的不便，可能會整體結構設計方案的大規模變動。因此在嵌固端樓板的設計上，要充分考慮材質和位置上的選擇。另外對于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的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協調等問題都要多加考慮，以防導致后期的設計沖突。

3.3 軸壓比與短柱的問題

高層建筑整體結構本身更具有柔和性的特點，如果柱的塑性變形能力小, 就會使得結構的延性變得差, 一旦遭遇地震或者強烈地殼運動, 柱不能很好地耗散和吸收地震能量,建筑就會面臨傾倒，倒塌的危險。因此高層建筑結構中, 為了控制柱的軸壓比，會選擇做柱的截面很大的設計，但是在柱的縱向的鋼筋一般選用構造配筋，這樣一來即使采用高強混凝土, 也不能將柱斷面尺寸控制在較小的尺寸。因此不妨考慮在結構中強柱弱梁設計, 將梁的良好延性的特點充分發揮, 這樣柱子進入屈服的可能性就會減小，軸壓比值也會隨之減小。另外, 對于短柱而言，不能根據柱的長細比來確定，而是應該根據柱的剪跨比小于2來確定屬于短柱，這一概念的明確更有利于軸壓比的控制。

3.4 安全問題

高層建筑是豎向空間利用，屬于類封閉空間，面對的安全問題主要是在發生危險時能及時的疏散和避險，因此在空間結構的設計上總體布局要保證暢通安全，可以在一層多設通道，便于疏散。保證采光設施或者照明系統緊急情況下的正常使用，可以選用自于區域變電所，同時自備的發電設備，既經濟也合理。還要考慮合理進行防火分區的設計。另外，由于是高層就要考慮防雷擊的問題，好的設計就要利用高層建筑物的結構來做好防雷措施，除了常規裝設避雷針和避雷網的方法，還可以構建接地裝置，利用結構中的主鋼筋作引下線，使鋼筋混凝土基礎作接地裝置，利用扁鋼在建筑物周圍做避雷帶。從而防止雷電對于建筑物的損害。而金屬可能會由于靜電產生火花，導致安全隱患，因此建筑物內的金屬物體和突出屋面的金屬物都要和地面相接，減少安全隱患。

4、結論

鑒于國內建筑業的發展與時俱進,結構設計在國內建筑技術領域取得了較高的發展。建筑結構設計是一個十分復雜的工作,需要有十分專業的技能,同時還要有認真的工作態度。這是因為建筑結構設計是后續施工的前提,沒有扎實的設計,后期的施工再好,最終高層建筑工程的質量也不會很高。在高層建筑結構設計中，結構工程師不能僅僅重視結構計算的準確性而忽略結構方案的具體實際情況，應作出合理的結構方案選擇。高層建筑結構設計人員應根據具體情況進行具體分析掌握的知識處理實際建筑設計中遇到了各種問題。