探討高層建筑結構設計過程中常見問題

馬延年

（身份證號：1306371968****1832）

一、正確認識高層建筑的受力問題

選擇合理的結構類型高層建筑從本質上講是一個豎向懸臂結構, 垂直荷載主要使結構產生軸向力與建筑物高度大體為線性關系；水平荷載使結構產生彎矩。從受力特性看, 垂直荷載方向不變,隨建筑物的增高僅引起量的增加;而水平荷載可來自任何方向, 當為均布荷載時, 彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側移特性看, 豎向荷載引起的側移很小,而水平荷載當為均布荷載時, 側移與高度成四次方變化。

二、短肢剪力墻的設置問題

（一）在規范中，對墻肢截面高厚比為5~8的墻定義為短肢剪力墻，且對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設計中，結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻。但對小高層住宅采用短肢抗震墻結構體系，只要抗側力構件布局合理仍然是比較理想的一種結構體系，但在地震區，高層建筑中，剪力墻不宜過少，墻肢不宜過短，因此不應設計僅有短肢剪力墻的高層建筑，要求設置剪力墻筒體（或一般剪力墻），形成短肢剪力墻與筒體和一般剪力墻共同抵抗水平力的結構。

（二）短肢墻之間的梁應根據跨高比的不同分別按連梁、框架梁計算內力和配筋（即一般情況下當短剪力墻洞口形成的跨高比小于5的連梁，應按連梁進行設計；當跨高比不小于5時，宜按框架梁進行設計）。短肢墻仍屬于剪力墻的范疇，配筋可采用一般剪力墻的計算方法，但是對于長寬比小于3的短肢墻則必須按柱的方法進行設計。

三、軸向變形問題

（一）任何建筑結構在外力作用下產生的位移都包括彎曲、軸向變形和剪切變形三部分。在低層建筑結構設計中，通常只考慮彎曲變形，而忽略鈾向變形和剪切變形的影響，因為一般結構構件的軸力和剪力產生影響較小，可不考慮。而高層建筑由于層數多、軸力大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會對高層結構的內力產生很大影響。此外，高層結構中的剪力墻的截面也往往很大。因此，剪切變形的影響不可忽略。

（二）采用框架體系和框架—剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸向壓力往往大于邊柱的鈾向壓力，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，此種差異軸向變形將會達到較大的數值，其后果相當于連續梁的中間支座產生沉陷，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。故在高層建筑設計中，軸向變形不能不考慮。

（三）在高層建筑結構的力學計算中，根據所選計算手段，所計算的構件變形因素是有區別的。對于簡化助手計算方法，一般只計算最基本的變形。采用計算機方法計算時，計算的變形因素要多一些。當用空間協同工作方法時，考慮了梁的彎曲、剪切變形，考慮了柱、剪力墻的彎曲、剪切和軸向變形；當用完全的三維空間分析方法時，除考慮了前面全部變形外，還增加了梁、柱、剪力墻的扭轉變形，以及剪力墻墻體截面的翹曲變形。

四、高層建筑結構設計的抗震問題

地震是難以預測以及精確計算的，地震作用而使建筑物承受的力，因地震作用的大小、地基的堅固度，以及建筑物固有的周期而異。地震作用的大小被評估為靜態的水平力，通常都會隨著建筑物的高度的增加，建筑物水平力的比例就會變小。對于某一方向的地震作用，相同方向的抗震要素的抵抗，會與其剛度成正比。

（一）施加于建筑物的地震作用

由震源傳來的地震波，當地表附近的地基越軟弱時就越會增強，而且隨著建筑物增高及固有周期變長時，搖動的力就變小，而且越到建筑物的上方樓層，搖動的力(加速度)就有變大的傾向。基于這些因素的考慮，定出施加于建筑物的地震作用，這被當作施加于建筑物各樓層的水平力來評估。

（二）抗震因素的配置

毫無疑問，建筑物會從各方向承受地震作用，如果將整體建筑物當作是二維框架的集合體去考慮力的傳遞就容易使人理解。與地震作用的水平方向平行的框架負擔著水平力，各層柱子與抗震墻等則按剛度比例負擔地震作用。

（三）構架的變形抵抗

對結構體施加水平力時，若超過其支承的彈性限度，變形就會急遽地增加，達到最大強度。在設計時，對于頻度高的地震，通常都停留在支承力的彈性極限以下，大地震時則不要超過其最大強度。

（四）構件的強度與韌性關系

強度大的抗震因素不需要韌性。墻壁與斜撐的韌性較小，框架構架的韌性較大。

（五）抗震因素平面上的平衡

抗震因素平面上的平衡不良的建筑物，在承受地震作用時容易產生伴隨扭力回轉的變形，剛性弱的部分就會產生很大的變形，使該部分的破壞有增大之虞。由于地震作用是屬于慣性力，因此力的作用中心要與重心一致。所謂的在平面上采取平衡，也就是地震作用的中心，亦即重心與抗震因素之剛度的中心(被稱作剛心)必須一致。即使平面上的剛性(框架的剛度)一致的建筑物，當它向后退縮時，由于下方樓層的重心會從中心偏離，將會產生失穩。

（六）抗震因素之剖面上的平衡

當抗震因素的剛度在上下方向不均勻，且硬樓層部與軟樓層部混合在一起時，地震作用就會集中于軟樓層部，使該樓層部分承受的力及變形變大，會有增大破壞之虞。尤其是二樓以上的部分墻壁多且一樓沒有墻壁的建筑物，稱作懸挑建筑物，有許多在地震時會發生一樓瓦解的破壞。

五、結束語

近年來，高層建筑發展十分迅速，建筑造型新穎獨特，建筑物的高度與規模不斷增加。隨著高層建筑進一步的發展，滿足高層建筑的形式、材料、力學分析模型都將日趨復雜且多元化。實踐表明在高層建筑的結構設計與施工過程中，設計、技術人員只有概念清晰，措施得當，才能不斷地完善和發展高層建筑。