高层建筑结构设计问题浅谈

摘要：高层建筑目前在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大，而建筑结构设计方面的变化也越来越多，很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中。建筑类型与功能越来越复杂，高层建筑的数量日渐增多，高层建筑的结构体系也是越来越多样化，高层建筑设计也越来越成为我们结构工程设计工作的难点与重点。面对如此形势，应该把高层建筑的结构设计放在首位加以研究。

关键词：高层建筑结构；特征；原则；设计问题

引言：分析由于社会经济的迅速发展和建筑功能的多样化，建设用地日趋紧张和城市规划的需要，使得城市建筑物不断向高层发展，同时高层建筑结构体系也变得越来越复杂，这就需要设计人员在进行高层建筑结构设计时依靠自己掌握的知识、根据具体情况来分析和解决可能遇到的各种问题。

一、高层建筑结构的特征

高层建筑结构不但承受着由于外界的风产生的水平方向的荷载，同时也承受着在垂直方向的荷载，并且对于地震的抵抗能力也有要求。一般情况下，建筑结构受到低层建筑结构水平方向上的影响比较弱，然而在高层建筑中，外界地震的影响和外界风产生的水平方向的荷载的影响是主要的影响因素。随着建筑物高度的增加，高层建筑的位移增加较快，但是高层建筑过大的侧移不但影响人的舒适度，同时使得建筑物的使用受到影响，并且容易损坏结构构件以及非结构构件。基于此，在设计高层建筑结构时，首先控制侧移在规范规定的范围之内。所以，高层建筑结构设计的核心是抗侧力结构的设计。

二、高层建筑结构设计原则

1、高层建筑在承受竖向荷载的同时还要承受风荷载或地震作用，随着高度的增加，侧力产生的内力和位移会大幅度的增加，因此侧力在高层结构设计中往往起着控制作用。

2、高层结构设计的准则是：建筑物遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危机生命的严重破坏。这就是抗震设防三个水准的要求。概括地说，抗震设计的目标就是“小震不坏，设防烈度可修，大震不倒。”为了实现上述三个水准的设防要求，规范采用了二阶阶段设计，第一阶段设计是承载力验算，使结构既满足第一水准下必要的承载力可靠度，又满足第二水准损坏可修的目标，对大多数结构可只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求；对于特殊要求的建筑、地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构还应进行第二阶段设计，验算结构薄弱部位的弹塑性层间变形并采取相应的抗震构造措施，以实现第三水准的设防要求。

3、采用二阶段设计实现三个水准的设防要求，并依据建筑物所在地区的设防烈度、建筑物的重要程度、不同的结构体系、建筑物的高度、抗震等级要求进行设计，结构设计就会更经济合理。

总之，高层结构抗震设计至关重要的就是使结构承载力、刚度、能量耗散和延性等多种性能得到最佳组合。

三、高层建筑结构设计中常见问题分析研究

1、结构选型中常见的问题

一是结构的规则性问题。与旧规范相比，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，而且新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案”。因此，结构工程师在设计上要严格遵守新规范的要求，避免不必要的麻烦。二是嵌固端的设置问题。由于高层建筑一般都带有人防和地下室，嵌固端有可能设置在人防顶板，也可能设置在地下室顶板等位置。三是结构的超高问题。随着建筑物高度的增加，导致了很多影响因素的有些参数本身超出了现有规范允许的范围，发生了质变，所以在力学模型选取、材料性能、延性要求、荷载取值和安全指标方面，结构工程师在设计的过程中对这些控制因素应严格注意。

2、结构分析与计算中常见的问题

一是结构整体计算的软件选择。由于各种软件在计算模型上存在着一定的差异，从而导致了计算结果存在或多或少的差异。因此，结构工程师在设计工作中首要的工作就是依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件，如果选择了不合适的计算软件，不但会浪费大量的时间和精力，而且有可能使结构有不安全的隐患存在。二是振型数目是否足够。在现规范中引入一个振型参与系数的概念，而且还明确指出该参数的限值。结构的层数与振型数的多少有关，因此，在计算分析阶段必须对计算结果中该参数的结果进行判断，并决定是否要调整振型数目的取值。三是考虑是否需要分开计算，非结构构件的计算与设计。对高层建筑进行计算分析时结构工程师必须要考虑是将结构人为地分开进行计算，还是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算。如果多塔间刚度相差较大，可能出现即使振型参与系数满足要求的情况，但是这也有是地震力计算误差造成，因此导致结构出现不安全的隐患。在高层建筑中，会存在一些由于建筑功能或美观要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件，比如高层建筑屋顶处的装饰构件等，因为高层建筑的风荷载和地震作用均较大，因此，结构设计工程师在设计的过程必须严格按照新规范要求对非结构构件进行计算处理再进行设计。

3、连梁超筋问题

连梁超筋是剪力墙结构设计中一种常见现象。计算剪力不满足剪压比要求从而导致了连梁超筋。连梁易超筋的部位，某墙段中，在大墙肢上的连梁易超筋，由于墙肢截面高度大小悬殊不均匀所造成； 平面中，当墙段较长时其中部的连梁易超筋； 一般剪力墙结构中，在楼层总高度 1/3处连梁易超筋。

4、轴压比的问题

在钢筋混凝土高层建筑结构中，通过增大柱的截面来控制柱的轴压比，即使使用高强混凝土，也不能明显减小柱断面尺寸。限制柱的轴压比的目的是为了防止受拉钢筋未达屈服而混凝土先被压碎。如果柱的塑性变形能力小表明其结构的延性很差，也就说抗震能力差，遭遇地震时结构容易被破坏。但是如果在结构中保证强柱弱梁设计，使其具有良好延性，此时可适当放松轴压比限值。

结语：近些年来，我国的高层建筑建设发展迅速。但从设计质量方面来看，并不理想。在高层建筑结构设计中，结构工程师要根据建筑方案的具体实际情况，应作出最经济安全的结构方案选择。高层建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析，不断丰富自己的知识处理实际设计中遇到了种种问题。

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