高層建筑的結構設計特點及基礎結構設計

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一、高層建筑的結構設計特點

高層建筑與其他各種建筑進行比較，結構設計應該是處于第一位的。因為其他型的建筑高度都控制在一定的范圍。隨著高度逐漸上升，考慮的方面也需要更加全面。不一樣的建筑對建筑布局、工期和造價等等多方面都會有不同的要求。接下來對其進行探討。

（一）高層建筑的水平荷載成為設計重點

如今社會上的任何一座建筑，不管它的高度多高，都能同時承受重力所代表的豎向荷載和風所產生的水平荷載，并具有抗震能力。在低層建筑或多層建筑中，由于高度相比來說較低，豎向荷載是需要著重考慮的。荷載在水平方向的內力相對位移較小，沒有對整個建筑的結構設計造成太大影響。通常建筑設計只要滿足垂直方向的荷載的需求，建筑的安全也就沒有什么問題。拿高層建筑來說，雖然豎向荷載的影響較小，但是隨著海拔高度不斷上升，水平荷載占有的優勢則愈加凸顯，也就說所占據的比例越多。整個建筑物的承受重力以及垂直結構在主體或構件上的各個樓面所使用的荷載所產生的軸向力和扭矩，與整個建筑物的高度成正比，水平面上的荷載對整個建筑結構的橫向傾覆效應和垂直豎向結構所產生的軸力和扭矩對整個高層建筑物的高度平方成正比。另一方面，水平風力所造成的荷載和地震運動所造成的荷載也可能伴隨著結構的動力學特性而發生相對較大的改變。

（二）軸向變形

軸向變形表現出了除去高層和多層等建筑外，低層和多級建筑的主體結構僅僅是用去考慮彎矩值這一項的數值，因為主體軸力的大小對整個建筑沒有過多的影響，不用多加考慮。此外，剪切項的取值更小，也都不予以計入。然而，高層建筑與它們并不是完全相同，因為軸力值會隨著樓高的升高而急劇上升，軸力的變形隨著建筑高度的升高變化越來越大，而且軸力值的改變對內力值和分布也有著很大的改變。對于框架結構體系和框架——剪力墻結構體系的高層建筑，結構框架里得中柱的軸壓通常是最大的，大于邊柱的軸壓力，而且中柱的軸壓變形和軸壓應力也會大于邊柱的各種數據。當建筑物高度持續上升，軸向變形間隙將逐漸增大，連續梁中間支座的下降，使它中間支座處的負彎矩得到減少，端部支座負彎矩和跨中正彎矩得到增加。

（三）側向位移

高層建筑相比于其他建筑來說，設計中的關鍵控制指標是結構的側向位移。伴隨著建筑高度的逐漸升高，水平方向產生的力引起的建筑結構側向變形程度也迅速加深。而且，高層建筑總體積的不斷擴大，建筑材料的選材也就更加的嚴格，要求也越來越高。對高層建筑進行設計結構時，不光只在意建筑的強度，還要考慮水平風所帶來的荷載；而且，還要滿足推力剛度，保證結構在水平力作用下產生的側向位移能很好地控制在一定范圍內，以保證人們能夠正常生活和工作。

（四）抗震設計

抗震設防在建筑設計中應常設。要考慮使用時的豎向荷載，還需要有良好的抗震能力，做好居民人身安全以及建筑穩定性。

二、減震和隔震措施

減震隔震是高層建筑基礎結構設計中重中之重，這些直接影響著高層建筑的安全可靠性。“減震措施”是意思是指借助建筑物的非預期部位增加阻尼，從而在地震傳遞過程中逐漸消耗地震能量，從而避免地震對高層建筑的危害，確保高層建筑可以安全運行，保障安全。在設置減震消能構件時，往往選擇變形較大的部位。這樣才可以確保減震措施最大限度地發揮效率，從而保證高層建筑的可靠性與安全性。同時，在高層建筑施工完成之前就要做好減震措施應用，并且應有效利用建筑的外部環境，進行環境優化等方面，從而有效地增加高層建筑主軸方向的阻尼和剛度，這樣可以大大提高地震能量的折減效果。另外，隔離措施在高層建筑基礎設計中的應用具有多種特點，如基礎隔震和特殊材料的基礎隔震，這是一些常見的隔離措施。其中，采用特殊材料的基礎隔震措施主要采用粘土、砂和瀝青特種材料實現高層建筑的基礎隔震，這些措施在高層建筑基礎結構設計中被廣泛應用于。

三、高層建筑基礎設計分析

（一）上部結構剛度

大部分情況，如果地基有一定的形狀上的改變，上部結構的剛度對于基礎受力情況也會有所影響。簡單的說，當地基已經開始變化了的話，當上部結構仍然保持絕對剛性的條件時候，每個豎向結構件將有機會出現均勻地傾斜或者下沉。基礎梁的橫斷面和不動鉸鏈支座在對于構件的端部而言忽視了抵抗轉移的能力時，它們可以用一個豎向的構件支座來充當，即基礎梁和倒立式連續梁類似，外部的荷載則由基座分布的反力來承擔。通常上部結構剛度會出現一個局部的彎曲，但是不會出現一個整體的彎曲。而且相反來說，如果上部柔度太大，則沒有必要影響到基礎的柔韌性和變形。因此，如果一個建筑物的基本梁在某種程度上已經發生了彎曲，則這個建筑物的整體就可能出現很大的彎曲。由此看來，兩種場合都已經表明，基礎橋梁中外力的大小與其分布方式都會存在較大的差別。但是，在實際施工中，結構設計的應用狀況將始終介于這二者之間。考慮到一個整體的剛度也并不輕松，剛度的設計與分析僅僅是借助于一個軟件來實施。在任何荷載、基礎和其他基礎工程條件下都保持一定的穩態性，上部結構的剛度會導致基礎的內力和相對撓度下降，上部結構的內力會因為其而增大。因此，次應力本身雖然是不能被忽視的，但它們雖然可以降低地基的內力，但并沒有直接對上部建筑物的剛度產生影響。

（二）基礎剛度的影響

為了盡量減少上部剛度對結構的影響，基礎應該是絕對柔性的，才能完全忽略剛度。荷載q(x，y)方向與其相反且作用力分布 p(x，y)方向相反且作用力等于。在均勻負重荷載的情況下，地基將采取盆形沉降方式開始下沉;要使地基能夠均勻進行沉降，讓兩端荷載逐步減少到中間，呈現不均衡的狀態才是最佳方法。在確定地基的基礎結構是絕對剛性的前提下，地基能夠承受荷載和其他物體傳遞的“架越作用”，使得地基能夠均勻進行沉降，相應的作用力將會形成嚴重的分布。由于塑性體區最初是出現在一個邊緣區域，反作用力將其減小，轉移到中間，并逐步形成一個馬鞍狀的分布。通過研究和實驗發現，可以得出土體基礎反應的大小與變形特征、荷載大小及其分布位置、地基的埋深以及土的種類有所關系。

（三）地基條件對基礎受力狀況的影響

地基土的分布和壓縮性會對地基的應力會有相應的影響。當地基土自身壓縮性相對比較小的售后，它上部的穩定能力比較好，但在實際的時候，地基土的壓縮性并沒有預想中的那么小，壓縮性不均勻分布，所以地基彎矩有著很大的差別。地基與基礎界面之間的摩擦是時刻發生的，但出土的抗剪強度通常比這種摩擦大。還有，孔隙水壓力會影響摩擦力的分布和大小，因此在計算界面摩擦力時需要綜合考慮，并要嚴密計算 。

四、影響高層建筑結構基礎設計的因素

（一）地質條件

影響結構基礎設計的主要因素是地質條件。地基設計承載力中，地質條件是最為重要的。在地質條件下，地基承載層和穿過土層的樁基是最要關注的，因為它們對結果的影響很大。設計的時候應對這兩個方面進行多加考慮。地基承載層與相連接的土層承擔高層建筑的主要荷載。所以，在高層建筑基礎設計過程中，應充分考慮承土層的特性、承載力等方面。另外，對于樁基穿越土層的情況，在地基設計過程中，應充分考慮地下水在地下的分布特性；在高層建筑結構設計中，要時刻保證科學與合理性。

（二）施工環境

在高層建筑結構設計中，基礎設計也受施工環境影響。施工環境會受到幾個方面影響，一個是自然方面，第二個是人工方面。自然方面，環境溫度和地震等級需著重考慮，因為鋼筋混凝土在建筑方面是作為最基本的原料。溫度應適當，施工的質量跟溫度也有直接的關系，過高過低都有影響。人工方面，有以下影響因素：施工過程對地基的處理不當；當樁基礎埋入土壤后，會對周圍土層有不利影響。因此，應綜合考慮施工環境問題，科學合理的安排。

五、存在的問題

由于高層建筑的基本設計是整個建筑設計中最為核心的內容，所以我們應該在此問題中著重進行處理。與其他建筑相互做下比較，高層建筑結構的基礎所需要承受的不僅是上部建筑豎向壓應力，同時也需要承受在水平面方向上的位移和傾覆壓應力。對于高層建筑物所有這些需要是否可以通過提高建筑物地基的埋深來得到成果。對于深埋的這個方面，我國法規中有著嚴格明文規定。在進行建筑物主體結構的基礎設計時，企業應該嚴格按照規定進行設計。

六、對高層建筑結構基礎設計的建議

對高層建筑主體結構地基進行設計，我們在對高層建筑主體結構進行設計時候，基礎設計則被認為是整個建筑結構設計中最為關鍵的部分之一，在具體設計的過程中，應該是依靠一個整體的建筑去對其進行設計，并且應該是充分考慮到地基的結構和上部之間的相互影響，通過不同的假設綜合考慮，得到了地基結構設計的過程中相關影響因素，接下來采用科學合理的有效措施，這也讓高層建筑基礎設計進一步得到了提高，整個設計工程過程中的誤差從多方面上得到降低，增加了建筑的主體性的提升。在高層建筑基礎設計的具體實施過程中，基于結構動力學和彈性的設計需要更好地全面的設計，結構基礎的柔韌性和剛度也要格外注意，從而減少沉降，提高高層建筑基礎的穩定性和可靠性。這樣可以獲得更好的設計效果。

七、結束語

我們在進行高層建筑的結構設計時，保證結構設計的科學合理性事關重要，這也就是如何保證高層建筑工程質量的重點。因此，努力提升結構設計工作者的技術水平和整體實力迫在眉睫，使其能夠有效地充分利用上部結構的剛度與地基條件，選擇合理的建筑工程基礎形態，并與工程實施中的各方緊密配合，使行業健康發展，保障居民的人身安全。