1、试论高层建筑结构设计的问题及分析【摘要】当高层建筑的层数和高度达到一定程度时，其一些功能在适用性、技术的合理性及经济的可行性等等都可能发生质量的变化，因此，与多层建筑相比，高层建筑在结构设计上、技术进步上都有许多新的问题需要我们来解决。本文主要对高层建筑结构设计的特点和结构体系进行分析，并提出了提高建筑结构设计质量的措施，以达到保证建筑的安全。 【关键词】高层建筑结构；设计；特点 1、高层建筑结构设计的意义和特点 高层建筑结构设计的意义在于高层建筑能做到结构功能与外部条件相一致，充分展现先进的设计，发挥结构的功能并取得与经济性的协调，更好地解决构造处理，用概念设计来判断计算设计的合理性。 高层
2、建筑结构设计的特点，就是将高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有： 抗震设计要求更高。有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。 水平力是设计主要因素。在低层和多层房屋结构中，是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构
3、件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。 侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。 2、高层建筑的结构体系 高层建筑常用的结构体系有框架结构体系、剪力墙结构体系、框架?D 剪力墙结构体系和筒体结构体系等。 随着层数和
4、高度的增加，水平作用对高层建筑结构安全的控制作用更加显著，包括地震作用和风荷载。高层建筑的承载能力、抗侧刚度、抗震性能、材料用量和造价高低，与其所采用的结构体系密切相关。不同的结构体系，适用于不同的层数、高度和功能。 3、高层建筑结构分析 3.1 高层建筑结构分析的基本假定。 3.1.1 弹性假定。目前，工程上使用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是，在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移而出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。 3.1.2 刚性楼板假定。许多高层建筑结构的分析方
5、法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法，并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。 3.1.3 计算图形的假定。高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形主要是三维空间分析。二维协同分析并未考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调（竖向位移和转角的协调） ，而且忽略了抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度，对于具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥的。 3.2 高层建筑结构静力分析方法。 3.2.1 框架?D?D?D 剪力墙结构。框架?D?D?D 剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大多采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架
6、水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式也不相同。框架-剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。 3.2.2 剪力墙结构。剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。按受力特性的不同，单片剪力墙可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。剪力墙的类型不同，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法，此法较为精确，而且适用于各类剪力墙。但由于其自由度较多，机时耗费较大，目前一般只用于
7、特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。 3.2.3 筒体结构。按照对计算模型处理手法的不同，筒体结构的分析方法可分为 3 类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。 4、提高建筑结构设计质量的措施 4.1 重视概念设计概念是人们通过实践从理性认识上升到感性认识的结果，它反映了物体的本质特征。概念设计是一个结构工程师必备的一项基本素质。正确的概念设计可以指引设计者一个正确的方向，也是确保结构设计的合理性、安全性、经济性的前提，应该将概念设计贯穿于整个设计过程。概念设计必须依赖于深厚的理论知识基础以及对结构原理和力学性质的深入了
8、解，只有具备了高质量的概念设计，才能完成高质量的结构设计任务。 4.2 正确运用计算机辅助设计现代计算机技术已经普遍被应用于建筑结构辅助设计中，通常是利用计算机辅助完成结构分析，大部分的图纸设计，因此，正确的采用设计软件及对计算程序的充分了解也是确保结构设计质量的关键。现在，市场上的设计软件种类较多，采用不同的设计软件得到的结果也不一样。因此，要求对结果进行认真的分析复核。另外，所有的设计软件都是根据当时国家的规范要求、结合结构体系的特点进行模拟简化而得，因此，都有一定的使用范围和使用期限。随着建筑业的发展，建筑规模越来越大，结构形式也越来越复杂，这就使得建筑结构设计的难度越来越大，计算越来越
9、复杂，因此，结构工程师必须采用合理的设计软件，准确的设置各项技术参数，确保计算结果的准确，从而提高结构设计的质量及效率。 4.3 加强抗震设计 我国是一个地震发生较多的地区，因此，要求建筑结构有很高的抗震性能，减少地震给人们带来的损失。我国的建筑设计抗震规范也经历了多次的修正与完善，最新的抗震设计规范是 2010 年版，因此，结构工程师在进行建筑结构设计时必须严格按照现行的规范要求进行抗震设计。只有提高建筑结构的抗震性能，才能有效的降低地震灾害给人们带来的伤害。发生在中国的汶川大地震、青海玉树地震造成了相当大的损失，大量的砌体结构房屋倒塌，其原因在于结构不合理、传力不明确、抗震构造不规范。而发生在智利的 8.8 级地震以及最近发生在日本的 9.0级大地震，死亡人员的数量却较少，倒塌的建筑物较少，其原因也就是智利及日本的民用住宅建筑的抗震性能都很 5、结语 高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析，多做方案比较，根据使用功能和受力的合理性确定好结构的体系，在进行高层建筑结构设计时，只有综合考虑各项原则，结合建筑物的使用功能，对整体结构进行把握，对结构设计中的重点以及特殊部位进行重点优化设计，才能确保高层建筑的使用安全。 参考文献： 1高层建筑结构分析与设计；梁启智编著；华南理工大学出版社；1993 2苏迎社；高层建筑结构优化设计案例分析J；山西建筑；2010年
