高層建筑結構設計的問題及對策探討

徐榮華

摘 要：高層建筑是目前城市建筑的主要類型，在高層建筑結構設計中，往往存在很多的問題，這些問題的的存在就會嚴重影響到高層建筑的建設質量，針對這些結構設計問題，要采取有效的措施進行解決，才能夠有效的保障高層建筑建設的質量。為了做好高層建筑的結構設計工作，就需要了解其設計的要點，比如抗震設計的多道防線、不同結構形式的變形、結構靜力分析、建筑的設計特點等。利用技術經驗，融入相應技巧性的知識，為將來更好的解決各項不良的問題打下良好的基礎。本文主要對高層建筑結構設計的問題及對策進行研究探討。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；問題；對策

1 高層建筑結構的特點

高層建筑相對于一般的建筑而言，主要的特點就是其整體的建筑高度較高。而這一特點將會帶來一系列建筑結構方面的問題。建筑的構建是由水平和豎向構建組成，高層建筑中的主要水平構件包括了梁、板，豎向構建主要包括了墻、柱、斜撐等。豎向荷載作用在樓蓋、屋蓋上，由樓板傳至梁，再傳至墻、柱、斜撐等，最后傳遞到基礎。水平荷載由梁、柱、斜撐、墻組成的抗側力體系抵抗，最后傳至基礎。高層建筑會受到水平和垂直荷載兩個方向的作用，水平作用力一般是由于外界的風或者地震荷載所產生，而垂直荷載則一般是指建筑本身的重力，以及分布于各樓層的人員及設備的荷載。一般而言，在低層建筑中，其所受到的水平作用力較小，因此所帶來的影響也較小。而隨著建筑高度的增高，受到的水平風荷載及地震力影響將越來越大，因此會產生較大的水平側向位移，而這無疑會對人們的居住舒適度和建筑的安全性造成較大的影響。因此，在進行高層建筑的設計時，應尤其注意對其水平荷載作用的控制，通過抗側力結構構件合理布置減少側向位移，保證高層建筑的經濟性和穩定性。

2 高層建筑結構設計問題分析

2.1 帶轉換層的高層建筑抗震問題

高層建筑也具有多種類型，各種不同的高層建筑所采用的結構類型也會有所不同。一般來說，沿街的旅館或者是辦公樓、CBD高層等一些具有大空間的房屋建筑，所采用的結構類型多為帶轉換層框架剪力墻結構，擁有這種結構的房屋，上層部分采用的是剪力墻結構，而底層則采用的鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，在該類型的建筑房屋中，上部結構會劃分出多個小空間，并且底部的大空間具有一定的經濟價值。然而，一些高層建筑設計者在對這類房屋結構進行設計的過程中，往往會因為甲方過分的追求底部空間，而對建筑底部的豎向構件進行過分的削減，本來這樣的結構會使得豎向傳力路線不連續，尤其是底層的轉換梁，承擔上部所有的水平力、豎向力，然后再傳給兩端轉換柱。而過分削減豎向構件，且不注重加強轉換梁轉換柱的話，在地震及風荷載的作用下，就會出現嚴重的結構安全問題，從而影響到高層建筑的整體穩定性和質量。

2.2 豎向體型收進、懸挑結構的問題

很多的時候，一些豎向體型收進、懸挑結構的高層建筑，結構側向剛度沿豎向發生劇烈變化，往往在變化的部位造成應力集中和變形集中，產生結構的薄弱部位。豎向體型收進、懸挑結構在體型突變的部位，樓板承擔著很大的面內應力，如果忽視對這些部位樓板的加強，就會使得上部結構的地震作用無法可靠的傳遞到下部結構，從而這些高層建筑在結構設計中存在嚴重的安全隱患問題。再如大底盤多塔樓結構，塔樓在地盤上不突然收進就已經造成結構豎向剛度和抗力的突變，如果大底盤上各塔樓層數不同、質量和剛度不同，分布不均勻等其他因素導致平面、豎向布置更加不均勻，則會加劇結構的扭轉振動反應，更加不利于結構的抗震。

2.3 忽視了剪力墻平面布置的均勻性

由于高層建筑自身的高度較高，而且施工的規模也較大，其抗震設計的要求也較為嚴格。為了使得其抗震設計水平得到提高，就需要從兩個主軸方向入手，針對兩個主軸進行分別計算，應避免僅單向有墻的結構布置方式，并且宜使兩個方向抗側力剛度接近，在高層建筑結構設計中都具有重要的作用。然而，很多的設計人員會忽視剪力墻平面布置的均勻性，布置不對稱、不周邊化，從而不能是結構不能充分發揮剪力墻結構抗側力剛度和承載能力，造成很大程度上的浪費或者結構的不合理，在地震發生的時候，無法從縱向對高層建筑的整體結構形成保護，造成結構的嚴重破壞。另外，短肢剪力墻應均勻布置，避免將短肢剪力墻集中布置在一處，否則也容易造成結構剛度不均勻而嚴重破壞，或者使結構產生過大的扭轉導致結構破壞。

3 加強高層建筑結構設計的有效對策

3.1 合理選擇計算簡圖及結構方案

在進行高層建筑結構設計計算時，要在計算簡圖基礎上進行計算，所以在計算簡圖選擇時必須合理選擇，若計算簡圖不合理，極容易造成結構參數不準，影響正常施工，甚至導致事故的發生，合理選擇計算簡圖是保障高層建筑結構安全設計的前提條件。在構建方法選擇時應采用與計算簡圖相對的方法，設計構件結構節點時，要保障計算簡圖誤差在規定范圍內。另一方面，在選擇結構方案時不僅要考慮外觀造型，更要考慮方案經濟性和可行性，方案必須滿足結構形式和結構體系要求。尤其對荷載以及受力性能考慮時，必須遵循傳力簡單、受力明確均勻原則，避免受力過于集中影響建筑整體結構剛度。

3.2 合理設計抗風、抗震結構

為使高層建筑抗風結構設計滿足結構穩定性要求，在高層建筑抗風結構設計中應做好以下優化設計工作：（1）基礎優化。高層建筑基礎牢固，上部結構才能牢固可靠。為此，高層建筑基礎設計中要合理確定混凝土級配，最好使用級配高的砂石，控制好大體積混凝土施工方案，增加基礎持力層的承載力（比如換填、合理采用復合地基等），必要時設置樁基礎，提高建筑基礎結構的穩定性。（2）適當增加高層建筑耗能構件。增加高層建筑結構中的承重構件，如剪力墻、柱等并且合理布置，一定程度上可抵消風荷載及地震荷載對建筑結構穩定性產生不利的影響，使結構穩定。（3）盡可能減少地震力的水平荷載和風力疊加對高層建筑結構穩定性產生的不利影響。在地震力力作用下，高層建筑可能出現水平方向的結構內力，與風的水平荷載尤其是較高處的風振作用疊加后，對高層建筑結構穩定性產生更嚴重的破壞。為此，高層建筑結構應使用合理的結構形式：框剪結構、剪力墻結構、筒體結構等，盡量減少地震、風等水平荷載作用導致的位移。

3.3 加強抗震設計

抗震問題，在高層建筑結構設計中的地位是不可小覷的。高層建筑本身的高度，使得其建筑要求較高，要優化設計建筑結構的構件位置，使得結構壓力均勻分給每個構件，不會出現承壓不均而導致地震時的嚴重破壞。對于非結構構件也要考慮其材料的安全性能。高層建筑的地震結構設計，最重要的是對地基的選擇與設計，地基是建筑的根本，一旦發生破壞，上部結構將無所依靠。因此在進行結構設計時，必須重視地基的設計，適當考慮其上部結構傳來地震作用，確保上部結構的重心盡量與基礎的形心接近，設計出既節省材料又安全可靠的地基。

4 結束語

在高層建筑結構設計過程中，需要嚴格按照相關的規范要求進行，而且要加強實地考察，多方面的對結構進行深入分析，編制多個設計方案，通過對各個方案的比較來選擇最適宜的設計方案，及時對設計過程中存在的問題進行解決，確保整體設計的科學性和合理性，使建筑物的質量能夠得到有效的保障。

參考文獻：

[1] 張杰，崔偉平.探究高層建筑結構設計的問題及解決措施[J].河南科技，2013（1）：173.