1、高层建筑结构设计要点及问题探讨摘要：随着我国经济技术及建筑行业的迅猛发展，城市建筑用地越来越紧张，高层和超高层建筑日渐增多，建筑结构体系越来越复杂多样。作为建筑结构设计人员应努力提高技术水平，在节约成本的基础上，使建筑更加安全可靠。本文就高层建筑结构设计的特点、原则以及设计中出现的一些问题做了简单的分析。 关键词：高层建筑结构设计特点 结构设计原则 中图分类号：TU208 文献标识码： A Abstract: With Chinas rapid development of the economic technology and architecture industry, urban arc
2、hitecture land becomes more and more nervous, high-rise and super high-rise buildings increase day by day, and architecture structural system becomes more and more complex and diverse. As designers of building structures ,we should make great efforts to improve technological level ,to make the build
3、ings more safe and reliable on the base of cost saving. This essay does some basic analyses on the characteristics，principles of high-rise buildings architectural design and some problems in design. Key words: high-rise buildings, characteristics of architectural design , principles of architectural
4、 design. 1.高层建筑结构设计特点 1.1 水平力即地震力和风荷载为决定因素。 高层建筑的主要荷载分水平力及竖向力两部分，水平力为影响高层建筑结构内力的主要因素。高层建筑中，在水平荷载作用下，结构最大的顶点位移与高度的四次方成正比关系即为：水平均布荷载max=qH4/8EI，倒三角形水平荷载 max=11qH4/120EI，EI 为结构的刚度，其中 E 为弹性模量是常量取决于材料，I 为截面惯性矩。高层建筑中，竖向荷载所引起的轴力与建筑的高度的一次方成正比关系，竖向荷载主要引起结构的竖向构件压缩变形，传至基础对基础产生沉降或不均匀沉降。所以高度越高对建筑的影响越大，而水平荷载起更重要的
5、主导作用。 1.2 结构的轴向变形影响 高层建筑中，往往竖向荷载较大，对于框架、框-剪、框筒结构中墙柱的轴力很大，一方面会引起比较大的轴向变形；另一方面会对结构体系中的连续梁产生不利影响，将连续梁中间支座的负弯矩大大降低，使跨中的正弯矩和端支座的负弯矩大大增加。 1.3 侧向位移成为控制指标 产生侧向位移对人们带来很多不利之处,如： 1）因侧向位移产生很大的附加内力，从而使竖向墙柱等构件的偏心加大，最严重的后果可能会导致房屋侧向坍塌1。 2）侧移会导致居住者感到晃动的恐慌心情。 3）侧移会使填充墙及建筑构件开裂或损坏。 4）侧移严重也可能会导致电梯不能正常运行，各种水暖电管道线路破裂等危害。
6、控制侧移是抗风荷载、抗地震力作用的基本任务之一。提高结构的侧向刚度来抵抗侧向变形是设计过程的一大设计原则。提高侧向刚度与材料的性质、构件或结构的截面及形状有关。选用合理的抗侧力体系也是设计的重要工作。 1.4 提高结构的延性成为结构设计的重要指标 延性的概念即为从屈服阶段开始至到达最大承载力或者到达以后而承载力并没有显著下降期间的变形能力。结构的延性很好的反映了结构后期变形能力。在建筑结构设计中，既要满足承载力的要求，还要满足结构的延性要求。结构延性的主要作用在于： 在抗震设防结构中，能有利的吸收和消耗地震能。抗震性能主要取决于结构的吸收地震力的能力，地震能量=承载力 x 变形能力，是由承载力
7、与变形能力二者共同决定的。所以在结构设计中，应重视利用结构的延性来提高结构的抗震能力。 延性越高越不容易发生脆性破坏。 3）在超静定结构中，较强的延性性能能很好的适应地基的不均匀沉降和温度变化引起的裂缝等能力，还使结构充分的进行内力重分布，最大限度的进行优化设计节约成本。 2.高层建筑结构设计原则 2.1 选择合理的结构体系 高层建筑结构体系多种多样，框架结构、剪力墙结构、框剪结构、筒体结构。在工程设计中，首先要选择合理的结构体系方案，做到成本最小化，体系最优化。 1）框架结构：由梁、板、柱、所组成的上部结构。主要受力构件为框架柱和框架梁，其优点为结构布置灵活，适用于大空间大开间的建筑物，但其
8、缺点为刚度较小、抗震性能较低，层数较高的高层建筑不宜选用框架结构体系。 2）剪力墙结构：由墙肢、梁、连梁及板组成的上部结构。利用墙体作为主要的承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构。其优点，与框架结构相比刚度比较大，侧向变形较小，抗侧能力、抗承载能力较强。其缺点，平面布置不灵活，由于墙肢间距有严格要求，不能满足大空间的要求，常用于住宅建筑不宜用于公共建筑物。 3）框架剪力墙结构：在框架结构中设置了部分剪力墙结构，使框架和剪力墙结构两者结合在一起。如果把剪力墙布置成筒体又可称为是框架筒体结构体系。这样共同抵挡水平荷载及竖向承载力。其优点是，综合了框架及剪力墙结构的优点，刚度大大提升，侧向变形呈现弯剪型
9、，各层的层间变形趋于均匀，其顶点的侧移也相应减小。框筒结构体系在我国被广泛应用于高层建筑中。 4）筒体结构：将剪力墙或密柱框架集中到建筑物内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。其优点是，空间能够灵活布置，抗侧能力强，能够承担较大的水平荷载及竖向荷载，适用于建筑布置比较繁杂、荷载较大的高层建筑。但其造价成本较高，施工难度大。 2.2 选择合理的结构布置 宜选择规则、简单、对称、减小偏心布置，理想状态是使结构的重心、刚心、质心，三心重合于一点。墙柱平面布置尽量使结构保持上下、左右对称从而使刚度在平面方向上均匀。避免出现平面不规则，其中平面不规则包括：扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续2。 竖向上
10、宜保持侧向刚度均匀及竖向构件连续。避免出现竖向不规则，其中竖向不规则包括：侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变。 建筑抗震设计规范有明确的条文规定要求建筑形体规则，且严重不规则的建筑不应采用。建筑体系的规则性也能提高其抗侧性能和整个项目经济合理性。 2.3 选择合理的基础形式 地基与基础设计在高层建筑设计中视为极其重要的一部分，它影响着整个工程的造价，对结构的沉降及安全性起着尤为重要的作用。我国幅员辽阔，地质条件差异较大，结构设计人员在设计着手之前首要任务是熟悉地勘条件，查看各层土质的承载能力、地下水条件、周边环境等多种因素。基础形式多种多样，最基本的原则是在保证承载力能力达到
11、要求的条件下，同一个单体不宜选用不同的基础形式，保证均匀沉降，减小裂缝等。 3.高层建筑结构设计中常见问题 3.1 嵌固端的设置问题 高层建筑一般都带有两层及两层以上的地下室和人防，嵌固端的位置有可能设置在地下室顶板上，也可能设置在人防的顶板上等位置。高层建筑混凝土结构技术规程 5.3.7 条明确规定：当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于 23。 3.2 连梁超筋问题 高层建筑中经常会出现连梁超筋的问题，尤其是剪力墙结构中经常会遇到连梁超筋。常见的解决连梁超筋问题的方法有：1）增大洞口：避免在方案阶段将整面墙上开一个小洞的情况出现。这样降低了此处的刚度，减小了连
12、梁的弯矩。2）减小连梁截面高度：减小截面高度的原理也是降低连梁的刚度，这样就会吸收较小的水平力。3)设置双连梁。4）对连梁进行适当的折减。5）增加连梁的截面宽度。 3.3 结构的超高问题 高规中对不同的抗震设防烈度和不同结构体系的建筑物总高度有严格的限制，高宽比也有严格的限值。在施工过程中,设计人员与施工单位的配合、变更等也会造成延长工期、增加造价等不利影响。 4.结语 高层建筑建设发展迅速，设计水平有待提高。结构工程师要从概念设计的原理出发优化设计方案，设计出安全、可靠、经济的建筑成果。 参考文献： 1苏英高层建筑结构设计的几个问题 2建筑抗震设计规范 GB 5011-2010 3高层建筑混凝土结构设计规程 JGJ3-2010
