1、关于高层建筑结构设计的探讨摘要：现代城市中高层建筑是城市的主要建筑，创造着城市引人注意的轮廓线，本文对高层建筑结构设计的几个要点进行了探讨。 关键词：高层建筑；结构设计；探讨 中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号： 高层建筑是城市空间的元素，优秀的高层建筑并不是排斥城市空间的明星建筑而是能一个创造人性的场所，又融入文脉的关系，不去破坏城市空间的和谐。优秀的高层建筑要考虑使用者的需要，以城市的公众利益为追求的目标。我们必须在高层和城市的发展中取得平衡，才能创造出更好的城市景观和适合人们生活的环境，才能沿着可持续发展的道理健康地发展下去。高层建筑随着城市化的发展越来越多样化，而出现的问题也
2、更加复杂。随着层数和建筑高度增加，利用结构空间作用，又发展了框架简体结构、简中简结构、多简结构和巨型结构等多种结构体系。高层建筑结构的承载能力、侧移刚度、抗震性能、材料用量和造价高低，与其采用结构体系有着密切关系。不同结构体系，适用于不同层数、高度和功能的建筑。 在高层结构设计中，水平力是控制的主要因素，在地震区水平力是高层建筑结构设计的决定因素。剪力墙结构刚度大、周期短、地震作用大，在设计中应注意调整结构刚度。近年来出现了一系列新的结构体系，其中有巨型框架结构、巨型桁架结构、悬挂和悬挑结构。目前采用这些结构体系的工程尚较少，经验不多，对于这些结构的研究也不够深入、成熟，尚不能普遍推广于设计与
3、施工中。 1 概念设计与理论计算 概念设计是指一些难以做出精确力学分析或在规范中难以具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，做出判断，以便采取相应措施。概念设计带有一定经验性。高层建筑结构的抗震设计计算是在一定假定条件下进行的。尽管分析的手段不断提高，分析的原理不断完善，但是由于地震作用的复杂性和不确定性，地基土影响的复杂性和结构体系本身的复杂性，可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多。尤其是当结构进入弹塑性阶段之后，会出现构件的局部开裂，甚至破坏，这时结构就很难用常规的计算原理去进行内力分析。实践表明，虽然分析计算是必须的，也是设计的重要依据，但仅此往往不能满足结构安全性、可靠
4、性的要求，不能达到预期的设计目标，在设计中把握好高层建筑的概念设计，从整体上提高建筑的抗震能力，消除结构中的抗震薄弱环节，才能设计出具有良好抗震性能的高层建筑。将注重概念设计作为高层建筑结构的最高原则提出，其主要内容为： 1.1 应特别重视建筑结构的规则和均匀性(包括平面规则性和竖向规则性)。 1.2 合理选择建筑结构体系包括： 1.2.1 明确的计算简图和合理的地震作用传递途径； 1.2.2 避免因部分结构构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力、风载和地震作用的能力； 1.2.3 结构体系应具备必要的承载能力和良好的变形能力，从而形成良好的耗能能力； 1.2.4 结构除需要满足水平方向的刚度和
5、抗震能力外，还应具有足够的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。 1.3 结构的整体性（高层建筑基础的整体性以及基础与上部结构的可靠连接是结构整体性的重要保证） 。 1.4 采取必要的抗震措施提高结构构件的延性。 1.5 应有意识、有目的控制加强薄弱层（部位） ，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移；对于应力集中的凹槽和狭长的缩颈部位以及楼盖开大洞时，应采取相关加强措施（板厚加大，并加强楼板配筋；住宅凹槽处设置加强边梁和拉板等） 。 2 结构整体稳定性 结构整体稳定性是高层建筑结构设计的基本要求，对结构稳定性的控制，避免建筑在地震时发生倾覆。一般高层建筑混凝土结构仅在竖向重力荷载作用下产生整体失稳
6、的可能性很小；当高层、超高层建筑高宽比较大，水平风荷载、地震作用较大，地基刚度较弱时，结构整体倾覆验算很重要，它直接关系到结构安全度的控制。当结构整体稳定验算符合高规 5.4.4 条，或通过考虑 P- 效应提高了结构的承载能力后，对于不满足整体稳定的结构，必须调整结构布置，提高结构的整体刚度（只有高宽比很大的结构才有可能发生） 。 对于高宽比较大的高层、超限高层建筑，要验算大震下的稳定性（抗倒塌能力，弹塑性变形分析验算）：薄弱部位弹塑性层间位移角应满足规范相应限制并偏严控制；要求抗倾覆的稳定力矩不小于倾覆力矩设计值；要求多遇地震作用下基础底面无零应力区，罕遇地震作用下基础底面底面零应力区不应超
7、过基础底面面积的 15%25%（不同地区，抗震设防烈度不同限值有差异） 。 高层建筑混凝土结构技术规程 （JGJ3-2010）与建筑抗震设计规范(GB50011-2010),对高层建筑尤其是高宽比大于 4 的高层建筑的整体抗倾覆提出了更严格的要求。 3 水平作用 任何建筑结构都要抵抗竖向荷载和水平荷载，在低层和多层结构设计中，往往是以重力为代表的竖向荷载起控制作用，对于高层结构的设计，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要作用，但起控制作用的是水平荷载。之所以如此，其根本原因在于随着高度的增加，水平力（风荷载或水平地震作用）产生的内力和位移迅速增大。例如把房屋结构看成一根最简单的悬臂杆件，在竖向荷载
8、作用下，产生的轴力仅与高度成线性比例，但在水平荷载作用下，其弯矩与高度的二次方成正比；侧向顶点位移与高度的四次方成正比。因此，在高层建筑结构设计中，抗侧力的设计是关键，水平荷载是决定因素。对于一定高度的建筑物，作为其水平荷载的风荷载和地震作用将随结构动力特性的不同而有显著的变化。 4 轴向变形 任何建筑结构在外力作用下产生的位移都包括弯曲、轴向变形和剪切变形三部分。在低层建筑结构设计中，通常只考虑弯曲变形，而忽略铀向变形和剪切变形的影响，因为一般结构构件的轴力和剪力产生影响较小，可不考虑。而高层建筑由于层数多、轴力大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会对高层结构的内力产生很大影响。此外
9、，高层结构中的剪力墙的截面也往往很大。因此，剪切变形的影响不可忽略。采用框架体系和框架-剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴向压力往往大于边柱的铀向压力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。故在高层建筑设计中，轴向变形不能不考虑。在高层建筑结构的力学计算中，根据所选计算手段，所计算的构件变形因素是有区别的。对于简化助手计算方法，一般只计算最基本的变形。采用计算机方法计算时，计算的变形因素要多一些。当用空间协同工作方法时，考虑了梁的
10、弯曲、剪切变形，考虑了柱、剪力墙的弯曲、剪切和轴向变形；当用完全的三维空间分析方法时，除考虑了前面全部变形外，还增加了梁、柱、剪力墙的扭转变形，以及剪力墙墙体截面的翘曲变形。 5 侧移成为控制指标 与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计的关键因素。随着建筑高度增加，水平荷载作用下结构侧向变形迅速增大，结构侧移与高度呈现四次方关系上升。在高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，还要求具有足够的抵抗侧向力的刚度，以保证结构在水平荷载作用下所产生的侧移限制在规范规定的范围内。侧移是高层建筑的要害问题，之所以要控制结构侧移，其主要原因有： 5.1 侧移过大，使建筑物内的人在心理
11、上产生不适应，控制结构侧移是保证建筑物正常使用的需要。 5.2 侧移过大，使建筑物内的填充墙、建筑装饰和电梯轨道等服务设施产生裂缝、变形，甚至损坏。 5.3 侧移过大，将导致结构开裂或损坏，进而危及结构正常使用和耐久性，实际上控制结构构件裂缝就是限制结构侧移。 5.4 地震对建筑物的破坏程度，主要取决于结构侧移大小，如果结构变形能力不足以抵御地震输入能量对结构变形的要求，结构则会发生倒塌。 6 抗震设计 高层建筑结构的抗震设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载以外，还必须使建筑结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、中震可修、大震不倒；设计尽可能设置多道抗震防线，采用具有联肢墙、壁式框架的剪
12、力墙结构、框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构等多重抗侧力结构体系。高层建筑避免采用纯框架结构。结构抗震能力是有承载力和变形能力两者共同决定的，建筑结构刚度、承载力和延性设计相匹配，结构的抗震能力好，结构设计体系才是最好的。计算结构的延性是困难的，结构或构件的延性是通过一系列的构造措施实现的。在高层建筑设计中，为使结构具有良好的延性，构件要有足够截面尺寸，柱的轴压比、梁和剪力墙的剪压比、构件的配筋率都要适宜，应遵照规范、规程的要求。例如延性剪力墙设计原则：“强墙弱梁、强剪弱弯、限制墙肢的轴压比和墙肢设置边缘构件、加强重点（薄弱）部位、连梁特殊措施”等。 7 结束语 随着我国国民经济的
13、快速发展和城市化进程的加快，城市规模不断增大，人口不断增加，使得城市住房建设用地高度紧张，以及人民对生活质量的高标准的追求，新建高层建筑是城市发展的必然趋势。这就必然给结构工程们对高层建筑的设计也带来了许多新的课题和更高的挑战。参考文献： 1建筑抗震设计规范（GB50011-2010）中国建筑工业出版社，2010 2高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）中国建筑工业出版社，2010 3夏卓文高层建筑结构设计特点与剪力墙设计J住宅科技 ，2009， （9）. 4王涛高层住宅剪力墙结构设计与研究D山东大学硕士论文，2008， （5）. 5贺文清，曹素，环宋捷大开间大跨度多高层建筑结设计问题探讨J中国勘探设计，2010,（08）.
