高層建筑結構設計與特點

宋海燕

（北京中外建建筑設計有限公司山西分公司，山西太原 030006）

高層建筑是目前土地資源緊缺環境下最常使用的一種建筑形式，是實現空間資源最大化利用的主要措施。不過在高層建筑結構設計中，為保證其合理性、可靠性，因此需要準確了解其特點優勢，結合這些優勢及建筑要求，給出合理的設計方案，以優化高層建筑的建設質量，促使高層建筑各項性能的充分發揮，滿足現今的發展需求。

1 高層建筑結構特點

1.1 水平荷載

與普通建筑類似，高層建筑結構設計中，也會將豎向荷載作為重點考量對象，但高層建筑因自身特性，建筑高度較大，基底面積較小，自重相對較大，在水平荷載的作用下，建筑的傾覆力矩與建筑高度之間存在著正比例關系，傾覆力矩如果超過穩定力矩則結構將會發生傾覆。另外，在豎向荷載保持不變的狀態下，水平荷載會對高層建筑抗震性能帶來直接影響。所以在高層結構設計中，除了要考慮豎向荷載外，還需對水平荷載加以充分考量與分析，以此增強建筑結構的穩定性，避免危險事故的發生。

1.2 側移

與多層建筑相比，高層建筑發生結構側移可能性明顯上升，在現階段高層建筑結構設計中，將側移問題作為完善設計的重要手段。高層建筑結構側移的產生與高層建筑結構高度有直接關系。如果建筑結構設計存在問題，在荷載壓力作用下，結構會發生側移問題，且隨著高度的增加，水平位移將迅速加大，并導致高層建筑出現明顯的變形現象，削弱高層建筑結構的穩定性和安全性，影響其正常使用。

1.3 軸向變形

高層建筑隨著樓層高度的增加，豎向荷載會發生較大增長，高層建筑的總豎向荷載中，恒載占比約80%，活荷載占比較小。豎向構件會出現變形問題，進而使連續梁彎矩值發生改變，導致出現軸向變形問題。同時在對高層建筑軸向變形觀察中了解到，高層建筑高度越高，軸向變形也就越嚴重，中部和邊部結構構件發生的變形問題也就越來越明顯，進而對高層建筑結構帶來較多不良影響，降低結構受力的均衡性。尤其應注意結構的施工加載方式，結構自重是隨著施工過程逐層加載，而不是一次性加載，兩種施工加載方式會使豎向構件產生的壓縮變形存在較大的差距，因此選擇更接近實際施工的加載方式，才能真實體現結構的實際受力情況。所以在高層建筑結構設計中，要注重軸向變形問題的把控，以提高建筑結構的質量。

1.4 延性

加強高層建筑結構延性能力，可改善高層建筑結構抵抗外界荷載及沖擊的能力，從而有效控制高層建筑結構變形，確保建筑結構的穩定性和安全性。高層建筑會隨著高度的增加，樓層存在的變形問題也逐漸加劇，進而對建筑結構的抵抗能力帶來不良影響，而延性能力的提升可有效規避這一情況，減少變形帶來的不良影響，從而提高建筑的安全系數。

2 高層建筑結構設計中的常見問題

2.1 扭轉

高層建筑結構設計中，質量、剛度及幾何中心設計是較為重要的內容，但在實際作業中，經常會因為思考不到位，導致三心出現偏離的情況，在三心偏離的情況下，一旦出現不適當水平力作用，就會使高層建筑產生扭曲震動問題，威脅高層建筑的安全性。

2.2 結構布置不科學

隨著建筑數量的增多，人們對土地資源需求量日益增加，但我國存在著嚴重的土地資源緊缺問題，建筑規劃和建設可用土地面積縮小，剩余空間不多，為在有限的空間環境內，提高建筑建設質量，就需要對建筑結構開展科學規劃和布局，重點考慮建筑結構的功能需求和安全性。但就當前實際情況分析，在對建筑結構設計中，由于設計人員對問題考慮不夠全面，設計內容存在遺漏，降低了建筑的安全系數。如設計中未考慮結構平面布置的規則性和豎向布局合理性，過于注重美觀性；未從多角度分析傳力路線的布設，傳力路徑不明確；使得建筑結構設計不合理，導致安全事故的發生。

2.3 抗風問題

抗風設計也是高層建筑結構設計中的關鍵環節。高層建筑的層數越多，垂直高度越大，受到的風阻效應就更強。與常規高度的建筑物相比，高層建筑更加容易改變流動風向，且空氣動力效應較強。由于高層建筑外圍護結構如玻璃幕墻、窗玻璃、及裝飾構件等柔性結構的使用較為普遍，當外界環境中的風力較大時，產生的風力荷載能夠對建筑物的外墻體、裝飾結構及輔助支撐結構等造成一定程度的破壞，導致削弱整體建筑結構的穩固性。為此，在高層建筑結構設計過程中，必須加強抗風設計。首先保證結構具有足夠的強度，能夠承受風荷載作用下產生的內力。其次外圍護結構必須與主體結構可靠連接，最大限度降低外界環境因素對建筑結構的危害程度，從根源上消除安全隱患。

3 高層建筑結構設計的應對策略

3.1 扭轉效應科學把控

（1）平面寬度控制。在高層建筑中，合理的高寬比對結構的剛度、整體穩定性有著很好的宏觀控制作用。例如剪力墻結構在非抗震情況下高寬比宜控制在7以內。在此范圍內，結構的扭轉更容易滿足設計使用，且在此情況下，結構設計更加經濟合理。

（2）結構周期比控制。結構周期比的控制可通過調整抗扭轉剛度來實現，調整抗扭轉剛度會帶來一系列反應，進而實現周期比控制，優化抗扭轉性能。從實際情況來看，可從如下兩點改變抗扭轉剛度：①在對高層建筑結構的連梁展開設計時，需適當提高連梁剛度，以達到增強抗扭轉強度的目的；②提高抗側力結構剛度。抗側力結構剛度的提升，也是完善抗扭轉性能的重要手段，具體內容為：轉變單向剪力墻結構，增加其長度；加大剪力墻厚度；適當增加剪力墻連梁高度，并合理控制樓板～下層門頂位置的高度間距。為從某種程度上增加高層建筑的剪力墻抗扭轉剛度，可將樓面上、下方的高度部分演變成連梁，便于增強結構剛度，保證工程質量。

3.2 嵌固端設計

高層建筑結構設計中，需合理設置嵌固端，以此保證結構剛度、強度及承載力符合規定要求，確保建筑的穩定性。在嵌固端設計中，需根據建筑物的具體情況展開科學分析和考量。如常見的規則剪力墻結構，當地下室頂板作為嵌固端時，應滿足地下一層與首層的等效剪切剛度比大于2的要求，否則應將嵌固端下移。存在多層地下室結構的高層建筑，嵌固端盡量設置在地下室頂板位置，且要求其滿足等效剪切剛度比的要求以及以下條件，確保設置的合理性與可靠性。

地下室頂板標高與室外地坪高差不能過大（如圖1所示）；地下室頂板減少開洞，保障頂板結構的整體性，實現力的有效傳導；具備屈服強度及抗震性能；大底盤地下室樓層剪切剛度的計算要求與相連上部塔樓的剪切剛度比在1.5以內；如果地下室頂板結構無法滿足嵌固端設置要求，需改變嵌固端所在位置，并對其剛度加以科學調整。

圖1 地下室頂板標高與室外地坪標高

3.3 抗震設計

在高層建筑結構設計中，抗震設計的優化調整需要滿足以下兩方面要求：在剪力墻結構設計中，墻體截面不易過長，如果較長，設計人員則應增設洞口，將墻體劃分為若干墻段，以增強抗震墻的穩固性，通過各墻段高寬比在3以上，將墻體設計成具有延性的彎曲性破壞的剪力墻。剪力墻結構可選擇單肢或多肢形式，以此來應對地震發生時存在的變形問題，增強結構的靈活應變能力，保障高層建筑結構的穩定性、安全性；受到水平作用的影響，剪力墻剛度會有所提高，這時連梁承受的內力就會超出原有的規定數值，為確保結構的穩定性，還需適當調整連梁剛度，以避免問題的出現。

3.4 提高建筑的抗風荷載能力

若想保證高層建筑結構設計成果滿足質量標準要求，必須進一步完善抗風構件設計。在對高層建筑結構展開抗風設計時，要做好如下幾方面工作：①優化建筑平面外形尺寸。圓形及正多邊形的形狀受到的風力較小，盡量減少平面的凹凸變化、減少因外形引起的風力扭轉；②優化基礎設計。地基基礎是高層建筑的重要組成部分，主要用于承擔上部結構產生的重力荷載。只有保障地基基礎的穩固性，才能保障整體建筑結構的質量安全；③通過完善建筑布局規劃，擴大綠植覆蓋面積等途徑，改變流動風向，削弱風力荷載，減輕外界風力變化對建筑結構的危害程度，進而加強整體建筑結構的安全性。

4 結語

希望上文論述對建筑從業人員有所幫助，在高層建筑結構設計中，更好地規劃結構形式及力學特征，增強結構穩定性、安全性，減少變形、坍塌事故的產生，以此維護高層建筑的正常使用，加快我國建筑行業的前進腳步。