淺談高層建筑的結構設計特點及基礎結構設計

吳強

摘 要：高層建筑的出現不僅改變了城市的建筑風格和人們的生活方式，而且在一定程度上反映了科學技術水平和社會經濟發展水平。高層建筑與多層建筑相比有著自身的結構設計特點，而高層建筑的基礎設計在其結構設計中占據著十分重要的位置，如何設計出既安全可靠又經濟合理的基礎是高層建筑結構設計的一個關鍵點。

關鍵詞：高層建筑;結構設計特點;基礎結構設計

0 引言

隨著建筑高度的增加，結構設計的難度也在增大。結構設計的合理與否是高層建筑能否實現社會價值和經濟價值的前提。基礎設計在高層建筑的結構設計中占據著重要的位置。合理的基礎設計既能夠保證高層建筑的安全性、穩定性，又能夠節約建設成本。

1 高層建筑的結構設計特點

1.1 水平載荷成為設計的決定性因素

隨著高層建筑的高度越高，結構所承受的豎向荷載和水平荷載也越大。豎向荷載引起的軸力和彎矩數值與建筑高度的一次方成正比，而由水平荷載引起的結構傾覆力矩以及由此在豎向構件中引起的軸力卻與建筑高度的二次方成正比。高層建筑所受的水平荷載主要是風荷載和地震荷載，在其高度一定的情況下，建筑的豎向荷載引起的內力基本上恒定的，但在風荷載和地震荷載作用下引起的內力卻是隨著結構動力特性的不同而有著較大的變化。由此可見，對于高層建筑而言，其所受的水平荷載起著決定性的作用。

1.2 抗震延性設計應予以重視

高層建筑因其自身的結構特性和重要性，除了要考慮正常使用時的荷載，還要確保其自身具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。高層建筑的抗震性能主要由其延性決定。延性就是指混凝土結構具有足夠的塑性變形能力。良好的延性結構能有效地消耗地震力并降低結構剛度，使得結構受到的地震力作用變小，并能夠有效防止脆性破壞的發生，使得結構具有足夠的安全性和可靠性。

1.3 水平側向位移是控制指標

高層建筑因其高度較高，水平側向位移是結構設計中重要的控制指標。建筑高度越高，在水平荷載作用下產生的側向位移就越大。側向位移會使結構產生附加內力，對于豎向構件而言，側向位移越大帶來偏心加劇，由此產生的附加內力超過一定限值時會導致剪力墻、框架柱等豎向構件開裂破壞，嚴重的會引起房屋倒塌;側向位移過大還會使填充墻、建筑裝飾等非結構構件損壞，電梯軌道變形造成不能正常使用;另外較大的側向位移還會引起住戶的不適和恐慌，譬如風荷載作用下高層建筑的水平振動過大會使人感到不安。

1.4 重視軸向變形的影響

與多層建筑計算內力和位移時只考慮彎曲變形相比，高層建筑因為層數多，高度大，其所受的軸力也很大。較大的軸力使得高層結構的豎向構件沿著高度方向有著明顯的軸向變形。尤其對于超高層結構，其不同豎向構件間的軸向變形差會使得結構內力的大小和分布產生明顯變化，因此必須對高層建筑尤其是超高層建筑的軸向變形進行專門的研究和分析。

2 高層建筑的結構設計指導思想

2.1 主體抗側力結構布置的均勻性和對稱性

（1）結構對稱性是指主體結構的抗側力構件平面布置是對稱的。現在許多建筑方案為了追求奇特的造型，其結構的對稱性較差，設計成類似于L形、T形和S形等不規則的結構，導致其將在水平力的作用下產生較大的扭轉變形，這既削弱了結構的整體抗震性能，也不利于非結構構件（例如，填充墻和幕墻）的正常工作。因此，對于不規則的建筑平面，應進行合理的結構布置，例如合理布置核心筒和剪力墻位置，調整建筑的剛度，使其剛心盡可能靠近建筑物的質心，減少結構扭轉變形的不利影響。

（2）結構的均勻性是指主體結構的剛度和變形特性在主軸的兩個方向上接近。主體結構的抗側力構件截面和組成應在垂直方向上均勻地變化，盡量減少突變。樓層剛度的突變會導致應力集中，引發軟弱層的出現。某個構件剛度過大導致的應力集中，會使其首先發生破壞，其后連鎖反應，形成各個擊破的局面，無法發揮結構體系的整體協調性作用。結構設計時應協調布置中部核心和周圍的剪力墻，使其剛度分布均勻。這樣的主體結構才具有良好的抗扭剛度，不會發生過大的扭轉變形，有利于控制結構的扭轉位周期比和位移比。

2.2 荷載傳遞要直接

豎向荷載的傳力路徑是通過樓蓋結構將豎向荷載傳遞至墻、柱等豎向構件，再由豎向構件傳遞至基礎，再由基礎傳遞至地基。豎向構件宜盡量貫通連續，減少變化或變化緩慢且均勻，減少豎向構件間的壓應力二次傳遞。樓蓋結構布置應盡量使豎向荷載以最短路徑傳至墻、柱等豎向構件。除此之外樓蓋結構還起到協調各抗側力結構工作的作用，應使其具有足夠的承載力、剛度和整體性。

3 高層建筑基礎設計要點

3.1 重視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影響基礎的受力情況。如果地基土的壓縮性較大，且其壓縮性分布還不均勻，就會使得基礎的受力情況差異較大。因此根據地勘報告提供的場地地質條件，合理地設計基礎形式就顯得尤為重要。

3.2 確保上部荷載能有效可靠的傳遞到地基

在進行基礎設計時，應保證其具有足夠的強度和剛度能承受上部建筑的荷載，并能將其有效地傳遞到地基土或者樁基上。

3.3 重視基礎剛度對地基反力的影響

對于上部結構剛度可忽略不計的完全柔性基礎，其抗彎剛度為零，對荷載的傳遞沒有擴散作用，荷載直接作用在地基土上，基底反力分布與其受到的荷載分布完全一致，基礎中不產生彎矩和剪力。在均布荷載作用下，基礎沉降形式是中間大兩邊小，呈盆形;為了使基礎均勻沉降，有必要調整荷載，加大兩側荷載減小中間荷載，使荷載分布不均勻。絕對剛性基礎的抗彎剛度無限大，無論上部結構剛度的大小和荷載如何分布，基礎受力沉降后仍保持為一個平面。實際工程中，基礎的剛度是有限的，因此其地基反力的分布介于絕對剛性基礎和絕對柔性基礎之間。地基反力的分布大致可分為三種：第一，若基礎面積足夠大，有一定的埋置深度，荷載不大，基礎仍處于線性變形階段，則地基反力分布基本為馬鞍形;第二，對于基礎埋深不深或所受荷載較大的砂土上的小型基礎，由于基礎邊緣附近的地基土產生塑性變形，形成塑性區，隨著塑性區域逐漸擴大，基礎邊緣的地基土反力向基礎中部轉移，使得基礎中部的地基反力增大，最后呈拋物線形;第三，當上部荷載非常大，接近地基所能承受的極限荷載，此時地基反力更加向基礎的中部集中而變成鐘形。因此合理選取基礎形式，布置基礎剛度，對于協調地基反力的分布和基礎沉降有重要的作用。

3.4 考慮上部結構剛度對基礎設計的影響

有效地利用上部結構剛度可以使基礎結構的尺寸得到優化，譬如使得筏板基礎和箱型基礎的厚度減小，樁筏基礎的樁基數量減少。充分考慮基礎結構和上部結構的共同作用可以達到減小基礎內力和沉降，降低基礎造價的目的。

4 結束語

高層建筑逐漸成為城市的主要建筑形式，人們越來越關注高層建筑的質量。高層建筑的結構設計合理性是實現高質量的一個前提條件。隨著高層建筑結構形式不斷的豐富和發展，了解和掌握高層建筑結構設計的特點，合理的選擇高層建筑的基礎形式對于確保高層建筑結構安全性和經濟性完美地結合具有重要意義。

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