浅析高层建筑结构设计中的常见问题

摘要：随着我国经济快速发展，高层建筑已成为社会发展进步的标志，其功能和类型的复杂化，导致了其结构体系的多样化，高层建筑结构设计也越来越成为建筑结构设计的难点。本文从高层建筑结构设计的特点出发，针对结构设计中存在的问题进行了分析探讨，为广大结构设计者提供参考价值，为高层建筑结构设计提供帮助。

关键词：高层建筑 结构设计 问题

Abstract: with the rapid development of the economy in our country, high-rise building has become a symbol of the development and progress of the society, its function and types of complicated, to the diversification of the structure of the high-rise building structure design is also more and more become the difficulty of building structure design. This paper, from the high building structure based on the features of the design, according to the problems existing in the design of structure are analyzed and discussed for the general structure designers with reference value for high-rise building structure is designed to provide help.

Keywords: high building structural design problem

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1 引言

随着我国建筑业的快速发展，建筑技术也有了质的飞跃。高层建筑因用地的紧缺、合理利用竖向空间，已经成为建筑工程的主流趋势。由于高层建筑层数多、结构复杂、施工量大、管理工序繁多、周期长、质量难以保证等特殊性，实际设计施工中存在许多问题。本文从结构设计角度出发，针对高层建筑结构的特点，依照设计原则，总结分析了结构设计中存在的问题，为结构设计人员提供参考。

2 高层建筑结构设计特点

1)水平荷载已经成为决定性因素。因为高层建筑结构自重和作用在其上的使用荷载，即总荷载在竖构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构件中引起的轴力，和建筑高度的两次方成正比。因此，对于高层建筑来讲，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和其他容易造成水平荷载的地震力的数值大小，也就是水平荷载大小是随着结构动力特点的不同而有较大幅度变化。因此，水平荷载高层建筑的一个主要的决定性因素。

2)轴向变形的影响不能忽视。高层建筑结构中，总的竖向载荷数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，会对连续梁弯矩产生较大的直接影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大。同时，轴向变形还会对预测构件的下料长度产生影响。因而要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整，避免因下料不足引起不安全后果。另外，轴向变形还会对结构构件剪力和侧向位移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

3)结构的侧向位移是主要控制指标。相对于低层建筑结构而言，结构的侧向位移是设计中的关键因素。在高度不断增加的条件下，侧向位移的变形就取决于水平荷载的大小，荷载越大，侧向位移越大。因此，要将结构的侧移控制在安全容许范围内，以免对建筑结构的安全产生不利影响。

4)结构延性是重要设计指标。相对于普通低层建筑而言，高层建筑的结构更具有柔韧性，整体的结构变形会更大一些。在地震作用下，结构的弹性阶段的变化是可以恢复的，过了弹性阶段在进入塑性变形阶段后，为了使高层建筑结构仍具有较强的变形能力，避免结构受损严重，特别需要在构造上采取适当的措施，来保证结构具有足够的延性。

3 高层建筑结构设计的常见问题分析

根据上述高层建筑结构的设计特点，依据高层结构设计原则，结合工程实践，从以下几个方面对设计中遇到的问题进行总结分析，并提出注意事项和相关处理方法。

1)结构的高度问题。在抗震设计规范和高层建筑混凝土技术相关规范中，对结构的总高度有着严格的限制。新规范中针对以前的超高问题，将原来的限制高度设定为A级高度，并且增加了B级高度，而且其处理措施与设计方法都有较大改变。对于超高限的建筑，在地震力作用下会发生巨大的破坏形态，高度越大，影响因素越多，有时会发生质的变化。在实际工程设计中，若忽略高度问题，就会带来因施工图审查时未通过，而进行重新进行设计。开专家会议进行论证也会对工程工期、造价等整体规划产生影响。随着建筑高度的增加，影响因素将会发生质变，一些参数本身超出了容许范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。

2)结构体系的选取问题。采用何种结构是设计人员重视的问题，钢结构和钢混结构是目前国内外主要的结构形式。在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，且加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量降低其本身刚度，以减少不利影响。在高层建筑中，根据现在我国建筑钢材的类型、品种和钢结构的加工制造能力，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构。

3)结构细节问题。主要从以下三点来考虑：

①结构的规则性。新规范要求建筑物不能采用严重不规则的设计方案，平面规则性、嵌固端上下层刚度比等方面也做了严格的限值。设计人员应严格遵循新规范的要求，必须予以注意，以避免在后期施工图设计阶段造成不便。

②短肢剪力墙的设置。在高层建筑中，短肢剪力墙的应用受到相当多的限制，设计人员应尽可能少采用或不用短肢剪力墙。

③嵌固端的设置。由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端可以设置在地下室顶板，也可设置在人防顶板位置。因此，嵌固端设置问题上，设计人员往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面。如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题。忽略其中任何一个方面都有可能埋下安全隐患，导致后期设计工作的大量修改。

4)结构抗震问题。高层建筑结构布置复杂，致使几何形心、刚度中心、结构重心不重合，会出现扭转效应，在地震荷载作用下产生扭转，会对结构产生较大危害，从而加剧了对建筑结构的破坏。现在多数高层建筑距离非常近，很容易对邻近建筑物造成危害。因此要加强结构的抗震性能。相关资料和一些力学分析表明，结构在凹凸拐角处容易造成应力集中，尤其体现在非对称结构中。在对称结构中也因注意凸出部位的尺寸，采取有效的补救措施。另外，结构在竖向方面的刚度的不均匀不连续，容易出现刚度突变和软弱层，因而在建筑物结构设计时要全力避免。结构的防震缝设置是结构整体的柔韧性的关键，设置与否也是结构抗震设计过程中容易忽视的问题。我国目前的抗震设计规范，对与建筑物的抗震提出三大水准的设防要求、两阶段的设计方式。第一阶段的设计应当运用第一水准烈度的地震参数，从而计算出建筑结构在弹性状态之下的地震效应及构件的截面大小。在第二阶段的设计中，应当采用第三水准烈度的地震参数核算结构薄弱层，或者对薄弱环节弹塑性层间进行侧向位移或转角进行核算，从而使设计小于规范所规定之限值。

4 结束语

高层建筑结构设计是一项复杂的工作，不仅要从理论上重视结构设计的准确性，还得充分考虑影响因素，作出合理的结构设计方案选择。设计人员应根据具体情况进行具体分析，结构体系选型时应充分考虑高层结构设计特点，依据相关高层结构设计原则规范，避免上述设计中问题的重复出现。

参考文献：

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[2]国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

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[4]丰定国，王社良.抗震结构设计[M]. 武汉理工大学出版社，2003