試論高層建筑結構設計的問題及分析

【摘要】當高層建筑的層數和高度達到一定程度時，其一些功能在適用性、技術的合理性及經濟的可行性等等都可能發生質量的變化，因此，與多層建筑相比，高層建筑在結構設計上、技術進步上都有許多新的問題需要我們來解決。本文主要對高層建筑結構設計的特點和結構體系進行分析，并提出了提高建筑結構設計質量的措施，以達到保證建筑的安全。

【關鍵詞】高層建筑結構；設計；特點

1、高層建筑結構設計的意義和特點

高層建筑結構設計的意義在于高層建筑能做到結構功能與外部條件相一致，充分展現先進的設計，發揮結構的功能并取得與經濟性的協調，更好地解決構造處理，用概念設計來判斷計算設計的合理性。

高層建筑結構設計的特點，就是將高層建筑結構設計與低層、多層建筑結構相比較，結構專業在各專業中占有更重要的位置，不同結構體系的選擇，直接關系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機電管道的設置、施工技術的要求、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有：

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。

水平力是設計主要因素。在低層和多層房屋結構中，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。

側移成為控制指標。與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

2、高層建筑的結構體系

高層建筑常用的結構體系有框架結構體系、剪力墻結構體系、框架―剪力墻結構體系和筒體結構體系等。

隨著層數和高度的增加，水平作用對高層建筑結構安全的控制作用更加顯著，包括地震作用和風荷載。高層建筑的承載能力、抗側剛度、抗震性能、材料用量和造價高低，與其所采用的結構體系密切相關。不同的結構體系，適用于不同的層數、高度和功能。

3、高層建筑結構分析

3.1 高層建筑結構分析的基本假定。

3.1.1彈性假定。目前，工程上使用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下，結構通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是，在遭受地震或強臺風作用時，高層建筑結構往往會產生較大的位移而出現裂縫，進入到彈塑性工作階段。

3.1.2 剛性樓板假定。許多高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少了結構位移的自由度，簡化了計算方法，并為采用空間薄壁桿件理論計算筒體結構提供了條件。

3.1.3 計算圖形的假定。高層建筑結構體系整體分析采用的計算圖形主要是三維空間分析。二維協同分析并未考慮抗側力構件的公共節點在樓面外的位移協調（豎向位移和轉角的協調），而且忽略了抗側力構件平面外的剛度和扭轉剛度，對于具有明顯空間工作性能的筒體結構也是不妥的。

3.2 高層建筑結構靜力分析方法。

3.2.1框架―――剪力墻結構。框架―――剪力墻結構內力與位移計算的方法很多，大多采用連梁連續化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉角相等的位移協調條件，可以建立位移與外荷載之間的微分方程來求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式也不相同。框架-剪力墻的機算方法，通常是將結構轉化為等效壁式框架，采用桿系結構矩陣位移法求解。

3.2.2 剪力墻結構。剪力墻的受力特性與變形狀態主要取決于剪力墻的開洞情況。按受力特性的不同，單片剪力墻可分為單肢墻、小開口整體墻、聯肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。剪力墻的類型不同，其截面應力分布也不同，計算內力與位移時需采用相應的計算方法。剪力墻結構的機算方法是平面有限單元法，此法較為精確，而且適用于各類剪力墻。但由于其自由度較多，機時耗費較大，目前一般只用于特殊開洞墻、框支墻的過渡層等應力分布復雜的情況。

3.2.3 筒體結構。按照對計算模型處理手法的不同，筒體結構的分析方法可分為3 類：等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效連續化方法是將結構中的離散桿件作等效連續化處理。

4、提高建筑結構設計質量的措施

4.1重視概念設計概念是人們通過實踐從理性認識上升到感性認識的結果，它反映了物體的本質特征。概念設計是一個結構工程師必備的一項基本素質。正確的概念設計可以指引設計者一個正確的方向，也是確保結構設計的合理性、安全性、經濟性的前提，應該將概念設計貫穿于整個設計過程。概念設計必須依賴于深厚的理論知識基礎以及對結構原理和力學性質的深入了解，只有具備了高質量的概念設計，才能完成高質量的結構設計任務。

4.2正確運用計算機輔助設計現代計算機技術已經普遍被應用于建筑結構輔助設計中，通常是利用計算機輔助完成結構分析，大部分的圖紙設計，因此，正確的采用設計軟件及對計算程序的充分了解也是確保結構設計質量的關鍵。現在，市場上的設計軟件種類較多，采用不同的設計軟件得到的結果也不一樣。因此，要求對結果進行認真的分析復核。另外，所有的設計軟件都是根據當時國家的規范要求、結合結構體系的特點進行模擬簡化而得，因此，都有一定的使用范圍和使用期限。隨著建筑業的發展，建筑規模越來越大，結構形式也越來越復雜，這就使得建筑結構設計的難度越來越大，計算越來越復雜，因此，結構工程師必須采用合理的設計軟件，準確的設置各項技術參數，確保計算結果的準確，從而提高結構設計的質量及效率。

4.3加強抗震設計

我國是一個地震發生較多的地區，因此，要求建筑結構有很高的抗震性能，減少地震給人們帶來的損失。我國的《建筑設計抗震規范》也經歷了多次的修正與完善，最新的抗震設計規范是2010年版，因此，結構工程師在進行建筑結構設計時必須嚴格按照現行的規范要求進行抗震設計。只有提高建筑結構的抗震性能，才能有效的降低地震災害給人們帶來的傷害。發生在中國的汶川大地震、青海玉樹地震造成了相當大的損失，大量的砌體結構房屋倒塌，其原因在于結構不合理、傳力不明確、抗震構造不規范。而發生在智利的8.8級地震以及最近發生在日本的9.0級大地震，死亡人員的數量卻較少，倒塌的建筑物較少，其原因也就是智利及日本的民用住宅建筑的抗震性能都很

5、結語

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，根據使用功能和受力的合理性確定好結構的體系，在進行高層建筑結構設計時，只有綜合考慮各項原則，結合建筑物的使用功能，對整體結構進行把握，對結構設計中的重點以及特殊部位進行重點優化設計，才能確保高層建筑的使用安全。

參考文獻：

[1]高層建筑結構分析與設計；梁啟智編著；華南理工大學出版社；1993

[2]蘇迎社；高層建筑結構優化設計案例分析[J]；山西建筑；2010年