浅析高层建筑结构设计问题与对策

摘要：对于同一个设计，不同的结构工程师可能采用不同的结构体系，选用不同的结构材料来实现同一设计目标，使得最终的经济性能不同，甚至相差很大。本文分析高层建筑结构设计特点基础上，对结构设计存在问题进行讨论并提出解决策略。

关键词：高层建筑；结构设计；问题；对策；

引言：多层和高层结构的差别主要是层数和高度。但是实际上，多层和高层建筑结构没有实质性差别，它们都要抵抗竖向及水平荷载作用，从设计原理及设计方法而言，基本上是相同的。但是在高层建筑中，要使用更多结构材料来抵抗外荷载，特别是水平荷载，因此抗侧力结构成为本工程结构设计的主要问题，设计时要满足更多的要求，尤其自身有别于多层建筑的特殊要求和设计特点。

1.高层建筑结构设计的特点

某工程系一个大地盘、多塔楼、带高位转换层的高层建筑，设计过程中主要把握以下几个方面。

（l）水平荷载成为控制结构设计的主要因素。结构内力、位移与高度的关系，除轴向力与高度成正比之外，弯矩和位移随高度都呈指数曲线上升，因此，随着高度的增加，水平荷载将成为控制因素。水平力作用下结构是否优化，材料用量将有很大差别。

（2）特别是在地震区，随着层数的增加，地震作用对高层建筑危害的可能性也比对多层建筑大，高层建筑结构的抗震设计应受到加倍重视，本工程位于非地震区，无需进行地震作用计算，仍需要考虑抗震的构造措施。

（3）侧移成为控制指标。与多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而应将结构在水平荷载作用下的侧移控制在某一限度之内。

（4）轴向变形不容忽视。高层建筑中竖向荷载数值很大，使得柱产生较大的轴向变形，从而会使得连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大。轴向变形还会对预制构件的下料长度产生影响，需要根据轴向变形的计算值调整下料长度进行。另外轴向变形对构件的剪力和侧移产生影响，如不考虑构件竖向变形将会得出偏于不安全的计算结果。

2.高层建筑结构设计存在问题

2.1 底层框架剪力墙砌体结构挑梁裂缝问题

底层框架剪力墙砌体结构房屋是指底层为钢筋混凝土框架剪力墙结构，上部为多层砌体结构的房屋。该类房屋多见于沿街的旅馆、住宅、办公楼，底层为商店，餐厅、邮局等空间房屋，上部为小开间的多层砌体结构。这类建筑是解决底层需要一种比较经济的空间房屋的结构形式。部分设计者为追求单一的建筑立面造型来增加使用面积，将二层以上的部分横墙且外层挑墙移至悬挑梁上，各层设计有挑梁，但实际结构的底层挑梁承载普遍出现裂缝，该类挑梁的设计与出现裂缝在临街砌体结构房屋中比较常见。

2.2 楼层平面刚度的问题

一些设计在缺乏基本的结构观念或结构布置缺乏必要措施时，采用楼板变形的计算程序。尽管程序的编程在数学力学模型上是成立的甚至是准确无误的，但在确定楼板变形程度上却很难做到准确。作为计算的大前提都无法“准确”，就不可能指望其结果会“正确”了。据此进行的结构设计肯定存在着结构不安全成分或者结构某些部位或构件安全储备过大等现象。

2.3 忽视了纵向框架 现行建筑抗震设计规范要求水平地震作用应按两个主轴方向分别计算，各方面的地震和用应由该方向的抗侧力构件来承担。说是说，在框架结构设计中，纵向框架与横向框架有同等的重要性。一些结构设计者对以于非抗震设计，而纵向地按普通的连续梁进行设计，梁柱的节点和框架中的纵筋、箍筋的配置无法不答合框架的构造要求。由于没有考虑地震的纵向作用，在实际设计中经常出现梁的支座负筋，跨中纵筋及箍筋的配筋置均不足的现象。

3.保证高层建筑结构设计质量的有效对策

3.1 主梁有次梁处加附加筋

一般应优先加箍筋，附加箍筋可认为是：主梁箍筋在次梁截面范围无法加箍筋或箍筋短缺，在次梁两侧补上，像板上洞口附加筋。附加筋一般要有，但也不是绝对的。规范中说的比较清楚，位于梁下部或梁截面高度范围内的集中荷载，应全部由附加横向钢筋承担。也就是说，位于梁上的集中力如梁上柱、梁上后做的梁如水箱下的垫梁不必加附加筋。位于梁下部的集中力应加附加筋。但梁截面高度范围内的集中荷载可根据具体情况而定。当主次梁截面相差不大，次梁荷载较大时，应加附加筋。当主梁高度很高，次梁截面很小、荷载很小时，如快接近板上附加暗梁，主梁可不加附加筋。还有当主次梁截面均很大，如工艺要求形成的主次深梁，而荷载相对不大，主梁也可不加附加筋。总的原则，当主梁上次梁开裂后，从次梁的受压区顶至主梁底的截面高度的混凝土加箍筋能承受次梁产生的剪力时，主梁可不加附加筋。梁上集中力，产生的剪力在整个梁范围内是一样，所以抗剪满足，集中力处自然满足。主次深梁及次梁相对主梁截面、荷载较小时，也可满足。

3.2 平面及立面形式的选择

在高层建筑结构设计中，应尽量使建筑的三心（几何形心、刚度中心、结构重心）尽可能汇于一点，达到三心合一。如若在结构设计中没有做到三心合一，由此就会产生扭转问题。扭转问题就是结构在水平荷载作用下发生的扭转振动效应。扭转振动效应在风载等水平荷载载荷情况下会对结构产生危害，为避免其危害应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做到三心合一，所以平面和立面形式的选择很关键。高层建筑的平面宜采用简单、规则、对称的形状，避免过于复杂的平面形式，大量震害的资料表明，高层建筑物平面布置不对称、过多的外凸、内凹等复杂形式都容易造成震害。在高层结构的抗震设计中，结构体系的选择、布置、构造措施比软件的计算结果是否精确更能影响结构的安全，除了考虑结构安全因素外，还要综合考虑建筑美观、结构合理及便于施工和工程造价等多方面因素。资料和力学分析表明，在不对称结构中，结构在凹凸拐角等处容易造成应力集中而遭到破坏，所以应尽量避免。而在完全对称的结构中，也应注意凸出部分的尺寸比例。如凸出部分较长，要在结构设计中采取相应的补救措施。结构的竖向布置要尽力做到刚度均匀且连续，避免结构的刚度突变和出现软弱层。刚度突变及软弱层的出现往往是由于切断剪力墙所致，如果在结构设计中必须要切断少数剪力墙时，其他剪力墙在该切断层处应给以加强。总之，标新立异的平面及立面设计是以结构的抗震和安全性能为代价的。

3.3 水平位移要求

水平位移满足高层规程的要求，并不能说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素。因为结构抗震设计时，地震力的大小与结构刚度直接相关，当结构刚度小，结构并不合理时，由于地震力小则结构位移也小，位移在规范允许范围内，此时并不能认为该结构合理。因为结构周期长、地震力小并不安全；其次，位移曲线应连续变化，除沿竖向发生刚度突变外，不应有明显的拐点或折点。一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型；框架结构的位移曲线应为剪切型；框-剪结构和框-筒结构的位移曲线应为弯剪型。

4.总语

高层建筑结构设计是随着经济发展及人们对建筑物功能要求改变，又随着科技的进步而得以实现和解决。以上所提到的几个问题是建筑结构设计人员在工程设计中较易出差的地方，对设计者来说要把提高设计质量作为终身奋斗的目标，确保建筑工程的可持续发展。

参考文献：

[1] 杨星，赵兵.建筑结构设计计算步骤探讨.建筑结构[J]，2005，（ll）

[2] 王涛.高层住宅剪力墙结构设计与研究=D]，济南：山东大学硕士学位论文，2008