关于高层建筑结构设计的探讨

摘要：随着高层建筑在我国的迅速发展，建筑高度的不断增加，建筑类型与功能愈来愈复杂。高层建筑作为特殊的建筑形式，加强其结构设计的实践探讨非常必要。本文分析了高层建筑结构形式特点的基础上，从不同角度对加强高层建筑结构设计的思路进行了分析。

关键词：高层建筑 结构设计 设计分析

前言

随着社会经济的迅速发展和建筑功能的多样化，城市人口的不断增多及建设用地日趋紧张和城市规划的需要，促使高层建筑得以快速发展。另一方面由于轻质高强材料的开发及新的设计计算理论的发展，抗风和抗震理论的不断完善，加之新的施工技术和设备的不断涌现，特别是计算机的普及和应用以及结构分析手段的不断提高，为高层建筑迅速发展提供了必要的技术条件。

1高层建筑结构的形式

1.1 结构形式多样化、复杂化

传统的高层结构型式有框架结构、剪力墙结构或筒体结构等，但随着建筑功能的提升，形式的多样化使得传统结构形式需要进一步更新。因而使用多种结构形式，或者在常用结构形式上补充其他结构，已经成为一种常见的方式。例如：广州天建酒店同时使用框支剪力墙、内置钢板转换梁、钢桁架、钢框架；广州合景大厦在钢管混凝土柱框架的基础上，在不同部位加设斜或交叉支撑等等。

1.2 节点特点形式的多样复杂化

高层建筑结构形式复杂，使得不通构件的连接节点变得复杂化。不同的构件形式，不通采用的构件连接方式决定了节点的类型，如刚接、铰接或滑动不同节点受力方式也会影响结构的设计要求，相对来说，节点设计成为了高层结构特别是钢结构高层结构安全的控制因素。

1.3 高度的增加带来的变化

高层建筑由于其高度的增加，使得有顶部传递给底部的重力荷载随之增加，使得竖向结构体系承受了更多的载荷，对柱、墙等竖向支撑构件的要求更高。再者高度的增加必然会导致高层建筑侧向风荷载的增加，再加上地震荷载的共同作用，高层建筑荷载的侧向作用相比于传统建筑而言已经成为荷载控制的主导因素。而且侧向荷载对建筑物作用的效应不是线性的关系，对内力是平方的关系，对位移则是4次方的关系，显然在侧向荷载作用之下，高层结构的水平荷载起了控制作用，因此必须严格控制侧面位移。对于低层、多层或高层建筑，其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的。

2高层建筑结构设计的思路的多样性

2.1 建筑结构的选型设计

结构工程的选型设计对结构的安全使用及寿命有着非常重要的作用，合理的概念设计是高层建筑设计成功的核心因素之一。首先，合理选择流线型的建筑体型，比如截锥形或类似体型较为常用，其体型系数相对较小，有利于抗风。另外在进行结构平面布置时，平面形状和刚度分布尽量保持均匀对称，有利于结构的稳定和力学平衡，同时也可以减轻扭转效应的影响。其次，要加强高宽比的设计。高层建筑结构高宽比的规定是对结构整体刚度、抗倾覆能力、整体稳定、承载能力以及经济合理性的宏观控制指标，从大量的工程实践经验来看，合理的高宽比能取得实用、经济的效果。

2.2高层建筑剪力墙结构的设计

(1)避免出现独立小墙肢与剪力墙刚度不宜过大 《高规》中规定：“矩形截面独立墙肢的截面高度hw不宜小于截面宽度bw的5倍。”如果出现不满足规范要求的情况，墙肢轴压比、配筋就受到严格的限制，后续的设计施工的难度无疑增加。因此，在实际设计中，可以采用尽力合并洞口、合理布置剪力墙使小墙肢成为墙体翼缘的措施，这样结构受力性能得到大大的改善。

(2)加强转换层结构设计

当高层建筑功能要求相对提高，比如一栋建筑物的中上部和下部使用功能不同时，此时结构布置也应作相应的改变，只有通过设置转换构件来衔接传递上下结构的荷载，达到功能的满足。

(3)底部加强部位的设计

在剪力墙设计时，一般高层剪力墙结构，底部加强部位的高度可取嵌固部位以上墙肢总高度的1/8和底部两层高度二者的较大值，底部带转换层的高层建筑结构1。当将地下室顶板视作嵌固部位，在地震作用下的屈服部位将发生在地上楼层，同时将影响到地下1层，此时地下1层的抗震等级不能降低，加强部位的范围应向下延伸到地下1层，并应按规范要求在地下1层设置约束边缘构件。

2.3高层建筑结构的计算与分析

随着计算机技术以及结构设计理论的发展和完善，计算机软件在结构设计中的使用日益增多。但是，数值计算并不能完全替代人的主要设计概念，因为在充分利用计算机设计的过程中，必须充分了解软件设计的内在要求和适用性。总之，在结构的计算和分析阶段，必须在保持对计算和分析过程、结果有充分认识的基础上，准确的利用计算软件根据规范进行深入细化的计算和分析，这一处理结果的好坏实际上也决定了设计质量好坏的关键。SATWE、TAT、ETABS、SAP、MIDAS等式目前比较通用的结构分析软件。但是，软件自身都有其自身的计算特点，因此不通的软件计算分析的结果可能有所区别，此时需要设计人员的主观判断。最合理的做法是，根据工程整体结构计算的要求，选择合适的软件来建立合理精确地模型，对不同软件计算的结构进行横向比较，为最终的设计工作奠定基础。

2.4 把握高层结构设计中的注意环节

(1)周期折减系数。在高层结构的周期分析中，很容易忽略掉非结构的砌体填充墙所带来的影响。显然，周期的折减应考虑到非结构性构件的影响作用，而且不同的结构类型和填充墙的形式也决定了周期折减系数的取值。

(2)选择足够的振型数目。通常对于规则高层建筑而已，选择其前三阶振型计算即可满足计算要求，在分析的过程中，应依据规范要求对计算结果进行合理判断；但对于一些不规则的高层结构而已，或者对于一些有特殊构件的结构而已，局部的振动也必然存在，此时因根据具体的振动特性来选择振型数目的取值。

(3)明确多塔之间的藕联计算。在高层建筑结构形式中，主塔建筑和裙塔建筑构成的藕联体系是一种常见的结构形式，按结构的受力特点，将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算是满足力学基本要求的规定，但是很多工程师为了计算的方便通常都是分开单独计算，这样处理显然是存在问题的。当多塔间刚度相差较大的时候，两者之间就存在“耦合效应”，此时若忽视掉就必然使得塔楼的计算误差仍然有较大，从而导致结构出现不安全的隐患。

3 结束语

总之，随着高层建筑规模和型式的不断发展，追求结构形式新颖、受力合理的目标将是结构设计工作者的目标和方向。作为结构工程师，高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析， 多做方案比较，

加强优化设计的实施，高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性。

参考文献

1 GB50010―2002，混凝土结构设计规范［S]；

2 方鄂华，高层建筑钢筋混凝土结构概念设计［M］，北京：机械工业出版社，2004；

3 胡文湛，浅谈高层建筑结构分析与设计[J]，江西建材，2006(1)；

4 都凤强，高层建筑结构设计的实践探讨[J]，科技创新导报2009年21期；