现代建筑结构设计关键技术分析

[摘要]随着我国城市化的发展，以及各地建筑用地趋向于紧张，我国的高层建筑的设计与建造将会越来越多。高层建筑在设计时不仅仅需要考虑其整体的安全性，更需要确保建筑结构的合理性与经济性。

[关键词]高层建筑；结构设计；技术

[中图分类号]F407.9 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0251-01

1 高层建筑结构设计的特点

1.1 高层建筑在设计时的最主要的因素之一就是水平力

多层建筑以及底层房屋的结构中，大多是采用重力为主的竖向荷载来控制结构的设计。但是在高层建筑的结构中，尽管竖向荷载仍然会对结构的设计产生较大的影响，但是水平荷载却对其结构有着决定性的作用。这主要是因为高层建筑的自重以及楼面使用荷载在竖向构件中引起的弯矩以及轴力值仅仅和高层建筑的高度的一次方呈现正比例；但是水平荷载却会对其结构产生覆力矩，并且覆力矩在建筑竖向构件中会引起轴力，这个轴力与高层建筑的高度的二次方呈现正比例。从另一方面来说，高层建筑若是高度一定，那么其竖向荷载某种程度上是一个定值，但是水平荷载的地震作用以及风荷载的数据却会因为不同的结构动力性而发生较大的改变。

1.2 侧移是高层建筑的控制指标

相比较于底层的建筑，高层建筑的结构设计过程中的一个关键性的因素是结构侧移。高层建筑的层数在不断地增加的同时，其高度也在不断地增加，此时建筑水平荷载下面的结构侧移就会很快地增大，所以建筑的水平荷载作用下的侧移应该要被控制在某一个范围内。

1.3 高层建筑的抗震要求高

高层建筑在结构设计时需要考虑抗震因素，此时除了需要考虑在正常状态下建筑的风向荷载以及竖向荷载之外，还需要确保建筑的结构具有很好的抗震效能，要经得住考验，达到大震不倒、小震不坏的标准。

1.4 高层建筑的轴向变形是一个不容忽视的问题

高层建筑往往都具有很大的竖向荷载，这样就很容易在柱中引起大的轴向变形，随后便会对连续梁弯矩产生较大的影响，进而降低连续梁中间的支座处的负弯矩值，增大端支座的负弯矩值以及跨中正弯矩。并且还较大地影响预制构件的下料长度，从而需要依据轴向变形算出相应的数值，调整下料的长度；另外一个方面，由于会影响到侧移以及构件剪力，相比较于构件的竖向变形，会产生出一个低于安全的结果。

1.5 高层结构设计的一个重要指标就是结构延伸

相比较于底层楼房，高层建筑的结构相对要更加的柔一些，在地震的作用下会产生更大的形变，所以为了让高层建筑的机构在经历塑性变形阶段以后仍然具有很强的变形能力，避免在地震中倒塌，在设计时可以在构造上面采取合适的措施来确保其具有较大的延伸性。

2、高层建筑在结构设计时的关键技术

2.1 高层建筑的结构受力性能

高层建筑在设计的最初阶段，建筑师更多的是考虑建筑物的结构特点，而并不是考虑建筑物具体的结构特点。建筑物的底面非常重要地影响这建筑物空间形式的水平方向的稳定以及竖向稳定。又因为一个建筑物往往都是由一些重并且大的构件所组成，所以建筑物的结构需要将它本身的重量传到地面，建筑结构的荷载往往都是向下作用到地面。所以一个建筑物的设计的最开始就需要搞明白它所选用的体系中从上向下的作用力与建筑物地基的承载力间的关系。因此在建筑物设计阶段，应该设想出建筑物承重墙和承重柱的分布以及数量。

2.2 高层建筑在结构设计过程中的扭转问题

建筑物结构中的刚度中心、几何形心以及结构重心就是人们常说的建筑三心，在结构设计阶段就尽可能要求建筑三心汇于一点，也就是三心合一。而结构扭转问题指的就是建筑物在结构设计时没有能够三心合一，水平荷载会导致建筑物的结构发生扭转振动效应。所以为了减少建筑物因为水平荷载作用而产生扭转，在结构设计阶段应该选择合理的水平布局以及结构形式，最大限度地做到建筑物的三心合一。

2.3 高层建筑在结构中的振动周期以及侧移

建筑结构在结构中的振动周期通常包含两个方面：控制建筑的子真周期从而尽可能地与开场地的特征周期错开；合理地控制建筑的自振周期。

2.3.1 建筑结构中的自振周期

高层建筑结构的自振周期（T1）应该控制在以下范围：

建筑的框架结构：T1=（0.1-0.15）N

框筒、框一剪结构：T1=（0.08-0.12）N

筒中筒、剪力墙结构：TI=（0.04-0.10）N

N是建筑的结构层数

高层建筑结构的第2周期以及第3周期应该控制在以下范围：

第二周期：：T2=（1/3-I/5）TI

第三周期：T3=（1/5-1/7）TI。

2.3.2 建筑物的共振问题

当建筑物所在地发生地震的时候，假若建筑物场地的特征周期与其自振周期相接近，那么场地与建筑物便会发生共振，所以高层建筑在设计初应该评估场地的特征周期，从而调整建筑物的结构层数，选择合适的结构体系和类别，从而放大场地特征周期与建筑物自振周期的差别，从而防止共振的发生。

2.3.3 建筑物的水平位移特征

假若建筑物的水平位移能够满足高层规程，此时并不能够说明该建筑的结构设计是合理的。我们应该综合考虑的真理的大小以及周期等因素。因为高层建筑的结构设计抗震时，地震力的大小会直接与建筑物的结构刚度有关，当建筑物的结构刚度小的时候，假若地震力较小，此时建筑物的结构位移也小，位移会控制在合理的范围内，但是这个时候我们不能认为该建筑物的设计是合理的。由于地震力并不安全、建筑物的结构周期长，另外建筑物的位移曲线理论上是连续的，在竖向上发生刚度突变以外，不会有明显的折点护着拐点，所以通畅情况下剪力墙结构应该是弯曲的位移曲线，而框架结构应该是剪切型的位移曲线，框一筒结构以及t框一剪结构应该是弯剪型位移曲线。

2.4 位移限值、单位面积重度、剪重比

2.4.1 结构的侧移在位移限值的计算过程中是一个非常重要的标准，它可以从侧面反映出结构的刚度是不是合适，其结果会引起设计者对建筑结构的水平以及竖向的合理性、结构体系的选择进行思考。

2.4.2 单位面积重度以及剪重比是反映在地震条件下建筑物反应大小的一个重要指标，其数值影响这建筑物抗震能力。当建筑物的防震能力在7、8、9度时，其剪重比应该分别是为0.012，0.024.0.04。建筑的基本周期小于3.5S或者扭转效应明显时，其剪重比应该分别是0.016，0.032，0.064。单位面积重度是建筑结构构建截面取值是不是合理的衡量指标，同时也是楼面荷载是不是正确的一个重要的衡量指标。

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