刍议超限高层建筑结构设计中要注意的问题

摘要：我国的高层建筑正在朝着多功能化、现代化、大型化的方向发展。目前，区别于传统高层建筑的新型高层建筑——超限高层建筑也越来越受到市场的喜爱。就此，本文对超限高层建筑结构设计应注意的问题进行了较为深入的探讨，希望能给同行人员提供一点参考。

关键词：超限；高层建筑；筑结构设计；应注意问题

1 引言

伴随城市化建设进程的不断加快，城市建筑正在发生着日新月异的变化，大量人口涌入至城市中，导致城市人口急剧增加，使得城市的土地日趋紧张。虽然外来人口给了城市的发展一个极大的推动作用，但同时也给建筑业在其满足居住问题上提出了一个新的问题。城市为了节约土地和空间以及人们对居住环境的要求，就要去带动高层建筑技术的快速发展，因此，高层建筑建筑已成为当代城市中的一道重要的的风景（如下图1，2），是城市空间中不不能缺少的的元素之一。

2 高层建筑结构体系概述

在高层建筑中，抗侧力结构体系的选择与组成成为高层建筑结构设计的首要考虑及决策重点。当抗侧力体系决定后，水平构件体系的大格局便已确定，当然楼盖布置的细节也可再进一步进行推敲，因其其也有可能会反过来对抗侧力体系产生影响。目前应用于高层建筑的主要结构体系主要有以下几种：

2.1框架结构

其基本组成构件为梁与柱，框架结构的优点是建筑平面布置较为灵活，结构受力简洁而清晰，施工也较为方便；且在抗震设计中，其延性较好，耗能能力也较强，因此，具有很好的抗震性能。通常使用的柱网间距为5 - 9m，而当采用预应力和钢骨混凝土的结构时，柱距大于等于15。如果建筑物较高时，应该考虑建筑结构设计的主控因素（风荷载和地震作用），其缺点是抗侧刚度较弱，所以需要设计较大截面的梁、柱才能满足变形要求，这样会影响建筑的使用空间；另一个考虑对象是非结构构件的填充墙，其变形性能比框架差很远，且框架结构变形较大时，容易损坏。

2.2剪力墙结构

其最大特点就是抗侧刚度大和承载力高。一般而言，布置合理的剪力墙结构，会有较强的抗震和抗风能力。在众多大地震中，剪力墙结构出现破坏的较少，表现出了其良好的抗震性能。而其缺点则是自重大和刚性大以及延性差，并且对水平荷载也只能“硬碰硬”，所以剪力墙结构的周期较短，地震惯性力也较大。剪力墙的间距一般较小，为3 - 8 m，因此，其平面布置不够灵活，建筑空间会受限制。

2.3框架一剪力墙结构

其不仅有框架结构的布置灵活和延性好，也具有剪力墙结构的大刚度和高承载力的特点。框架结构的侧向位移为剪切型，其层间的相对位移下大而上小，而剪力墙结构的侧向位移则为弯曲型，它的层间相对位移则为下小而上大。并通过楼层梁板将两者连在一起，从而使得框架和剪力墙协同受力，一同进行工作。所以，在结构的底部框架的侧移变小，那么在结构上部剪力墙的侧移就变小，其侧移的曲线包含了2种结构的特点，是弯剪型。此外，在水平的荷载下，剪力墙会作为第一道防线来抵抗掉大部分的水平荷载，而框架则为第二道防线。框架-剪力墙结构是高层建筑较为理想的结构体系，被广泛的用于高层公共建筑中。该结构体系的建筑物通常有10 - 30层。

2.4框架-核心筒体结构

其实该结构是框架—剪力墙结构的一种特例，其受力特点与框架一剪力墙的结构相同。核心筒是通过利用电梯井和楼梯间以及管道井等的墙体，来围成一个封闭的实腹筒体，且框架部分是以核心筒作为中心来向外进行布置，其外框架的柱间距可达到9- 10m，因此，其有空间大而灵活，立面可选性较强以及采光好等优点，是商务建筑和高层公共建筑的理想选择。其封闭的实腹筒体整体性，让其具有非常优异的抗弯与抗扭刚度，可建造的高度达40-50层。且当设有伸臂时，其外框架的抗倾覆矩就会得到增大，从而使其结构的抗侧刚度得以增大，从而减少结构的侧移，这样其建造的高度则可达60-100层。

3 高层建筑结构的设计特点

3.1水平荷载是设计中的决定因素

在建筑的结构设计中，其要对水平荷载及竖向荷载进行计算，这需要从两个方面进行考虑，对于竖构件而言，当楼房的自重与楼面的使用荷载所导致的轴力以及弯矩的数值与楼房高度的一次方成正比，水平荷载在其竖构件上所产生的轴力则与楼房高度的两次方成正比；另一方面，当楼房的高度确定后，其竖荷载基本上是定值，而其水平荷载其数值则会随着结构特性的不同而有不同的变化。

3.2 轴向的变形不可忽视

高层建筑由于其垂直高度较高，所以其竖向荷载的数值较大，这样就会导致柱的轴向变形也变得比较大，导致连续梁的弯矩发生改变，而使得其负弯矩值变小，而其跨中的正弯矩和端支座的负弯矩值也会有所增大；而预制构件下料的长度则要按照轴向的变形来计算其值，因此其下料长度也需要进行调整；而当轴向变形发生时，对于构件的剪力及侧移还会产生一定的影响，使其所计算出来的结果与安全结果有所差距。

3.3侧移成为控制指标

高层建筑不同于多层建筑，其高度的不断增加，使其水平荷载下的结构发生侧移的机率较大，当侧侧移不断增大时，也会高层结构设计的不安全隐患产生，所以对于高层结构设计中，需要将结构在水平荷载下的侧移限定在某一个特定的限度范围内。

3.4 结构延性是重要设计指标

高层建筑具有其垂直高度较大，所以需要其结构上比多层结构具有更好的柔性，这样就需要高层建筑结构具有更好的变形能力，这样一旦地震发生，则会使高层建筑进入塑性变形，从而避免发生倒塌的危险，所以在设计时需要设计人员采取必要的措施，从而满足结构上的延性需要。

4 高层建筑结构设计中常见问题

4.1 地基与基础设计

.在一些多层建筑当中，往往只是参照附件的建筑物的基础设计资料就开始进行施工图的设计，而没有进行详细的地质勘探，更没有相关的数据报告，这就很难保证地基与基础的合理性和安全性。所以在实际设计工作中，一定要依据地质勘察资料来进行，综合多方面的因素来进行基础和结构的设计。

4.2 抗震设计

对于需要抗震设防的高层建筑中，应尽量不去使用纯的框架体系，但可用框架——剪力墙或者筒体结构体系，而要按照我国的具体条件来进一步的总结对高层建筑的相关刚度要求，以便于可以更为经济与合理的来布置剪力墙与筒体等的抗侧力构件。下表1 为《抗规》的抗震性能水准的分类。

4.3 现浇钢筋混凝土楼板的裂缝问题

①从钢筋混凝土的现浇楼板的各种受力体系分析，不管是按哪种设计中对其受力状态的考虑，都是局限于楼板平面上应力的变化以及板平面受剪的变形。即使对板端的嵌固端节点所产生的弯矩进行考虑，也仅仅是对板平面的弯曲或者屈曲所产生的应力进行了考虑。而在对楼板的受力体系进行分析时，对于现浇结构的构件间的在三维空间之中怎样进行内力分配和协调变形，则根本没有进行考虑。

②在进行楼板钢筋的配置设计时，部分的设计者只是按照单向板来进行计算，只是以分离式的负弯矩钢筋来作为支座处的支撑，这种设计方法所计算出来的受力情况和实际的受力情况存在着较大的出入，所以导致混凝土楼面的抗拉能力分布不均，很容易导致局部裂缝的产生，同时由于对于构造配盘及放射筋等重视度不够，所以一些薄弱环节没有加强筋的配置，为质量安全埋下了隐患。

4.4 连续梁按单梁进行设计

此情况大多发于阳台边梁的设计之中。而为了对受力分析可以方便，设计者把应为连续梁的梁按照单简支梁来设计，使得梁在支座上部的负筋配置过少。从而引起了梁在支座附近上部的受拉区出现竖向上的裂缝，从而导致梁上部拦板处出现竖向的裂缝。若此边梁的长度较长，那么出现的问题将会变得更加严重。

4.5 悬挑梁梁高的选用过小

设计人员通常只注意到了对梁的强充以及倾覆进行相应的验算，却忽视了对梁的手挠度进行必要的验算。若果梁高选用的过小，则会导致梁的截面的受压区的应力太大，这样梁挠度则会随着时间的推移逐渐加大。而挑梁的变形则会导致梁板产生裂缝，且裂缝宽度会伴随挑梁变形的回大而不断加宽，从而对房屋的正常使用产生一定影响。

5 结束语

随着城市化进程的加快，城市规划中对空间规划有了一定的需求，高层建筑结构已越来越成为城市建筑的重点，在结构设计过程中，高层建筑结构因较多层建筑要具有较大的复杂性，因此在设计中要综合多方面因素进行考虑，对各部位的受力情况及参数的选取要进行仔细的分析和研究，从而保证高层建筑物的结构设计安全，以免留下设计中的安全隐患，从而保证高层建筑的安全性。

参考文献

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[10]《建筑地震破坏等级划分标准》（1990建抗字第377号）

孙逊（1981.3-）男，硕士 国家一级注册结构师 中级工程师 主要从事建筑结构设计