高层建筑结构设计中几个常见问题

摘 要：人口的不断增长、建筑用地越来越进展和城市规划的需要，加快了我国高层建筑的建设步伐。如何针对高效的、准确的对高层建筑进行分析，才能保证高层建筑结构设计可靠性。本文阐述了高层建筑结构设计过程中的几个常见问题以及解决方法。
关键词：高层建筑；结构设计；问题分析
1.前言
随着我国经济的快速发展和人口的不断增长，城市用地显得越来越紧张。加上城市规划对用地要求越来越严格，如何高效的、长久地解决城市用地问题可有效缓解城市资源的压力。高层建筑的使用，正是人们追求更大空间和场地的目的下暮然而生。然而，如何保证高层建筑的可靠性、安全性和长久性问题，是提高高层建筑施工能力的前提条件。而有效的高层建筑结构设计，恰恰是解决该问题的关键与前提，同时也给高层建筑结构设计提出了新的机遇与挑战。本文针对高层建筑结构设计中的材料选型、抗震设计、结构计算与分析方面和扭转等方面，阐述了高层建筑结构设计过程中的几个常见问题以及解决方法。

2.高层建筑结构设计的特点

2.1水平荷载成为决定因素

一方面， 因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值， 仅与楼房高度的一次方成正比； 而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中引起的轴力， 是与楼房高度的两次方成正比； 另一方面，对某一定高度楼房来说， 竖向荷载大体上是定值， 而作为水平荷载的风荷载和地震作用， 其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2.2轴向变形不容忽视

高层建筑中， 竖向荷载数值很大， 能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响造成连续梁中问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；还会对预制构件的下料长度产生影响， 要求根据轴向变形计算值对下料长度进行调整； 另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

2.3侧移成为控制指标

与较低楼房不同， 结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加， 水平荷载下结构的侧移变形迅速增大， 因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

3.高层建筑结构设计的原则

3.1功能适应性原则

不同功能的建筑，往往具有不同的功能空间特征；不同的结构体系型式，并能够提供不同的空间布置；不同的内部空间特征，又要求不同的结构与其相适应。

3.2高度合理性原则

不同的结构体系往往具有不同的力学特征和整体性能，也有其整体综合性能得到较好发挥的高度适应范围。

3.3场地适应性原则

主要是指高层建筑的基础与其防震能力均应满足建筑的整体需要。

3.4空间整体性原则

建筑结构系统是一个出多个子结构及其若干组成构件组成的空间结构体系。一个结构的抗震能力不仅取决于各子结构及相应构件强度、刚度及其受力状态，而更主要地取决于保证这些子结构、构件能协同工作的能力或空间整体性，并保证其具有整体稳定性。

3.5施工方便性原则

不同的结构型决定着结构的施工工艺、施工难度、施工工期及可能的施工质量。

4.高层建筑结构设计的几个问题

4.1高层建筑的抗震设计问题

高层建筑在承担必要的建筑物垂直荷载以外，更为重要的是要能有效承受侧向风荷载及地震的冲击。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之设防要求、两阶段的设计方式，其中，第一阶段之设计应当运用第一水准烈度之地震动参数，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之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，从而使设计小于规范所规定之限值。

4.2高层建筑结构的计算分析问题

如何准确、高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计，是决定工程设计质量好坏的关键。目前比较通用的计算软件有：SATWE, TAT、TBSA或ETABS、SAP等，由于各个软件在采用的计算模式上存着着差异，致使各个软件的计算结果或多或少有所不同。因此，在进行工程整体结构计算和分析时，必须依据结构类型和计算软件模型的特点来选择合适的计算软件，并从不同软件相差较大的结果中，判断哪个是合理的、哪个是可以作为参考的、哪个有时意义不大的。

4.3建筑的材料选用和结构体系问题

我国150 m以上的建筑，采用三种主要结构体系：框-简、简中简和框架一支撑。这些也是其他国家高层建筑经常采用的主要结构体系。但国外在地震高发区，则多采用钢结构。而我国，钢筋混凝土结构和混合结构占了90%。如何高的钢筋混凝土及混合结构，在国内外都还没有经受较人地震作用的考验。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力，有的甚至高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负荷，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。此外，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。因此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工艺能力，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，
以减小柱断面尺寸，并改善了结构的抗震能力。在超过一定高度后，为减小风振，钢骨（管）混凝土通常作为首选。采用格构式的型钢时，地震危害严重，采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的，则地震危害要减小很多。
4.4.高层建筑结构设计的扭

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转问题
高层建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心，在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点，即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免高层建筑因水平荷载作用而发生的扭转破坏，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。在水平荷载作用下，高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀，减轻结构的扭转振动，应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下，由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不可能全部采用简单平面形式，当需要采用不规则I形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内，同时，在结构平面布置时，应尽可能使结构处于对称状态。建筑结构的振动周期问题包含两个方面：（1）合理控制结构的自振周期；（2）控制结构的子真周期使其尽可能错开场地的特征周期。

5.结束语

高层建筑的结构设计是一项极其复杂而长期的工程，也是建筑师开展设计工作的难点与重点，打破建筑结构设计的墨守成规，充分发挥自身创新能力，才能设计出具有高质量的品牌工程。
参考文献
黄建宏. 如何解决高层建筑结构设计中常见的几个问题[J].广东科技，2008,（08）：30-31.
闫彩虹. 浅议常见高层建筑结构设计的关键问题[J].中国科技博览，2009,（17）：277.
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