建筑结构设计工作

摘 要: 本文是作者近几年的工作经验总结的，主要的阐述了建筑结构概念设计的原则以及高层建筑结构的抗震设计。
关键词: 结构设计 设计特点

1 高层建筑结构设计的特点

1.1 水平荷载成为决定因素

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，与楼房高度的两次方成正比，高层建筑楼面使用荷载和楼房自重在竖构件中所引起的弯矩和轴力的数值，仅与建筑高度的一次方成正比。对某一定高度楼房来说，它的竖向荷载大体上是定值，但是其水平荷载却不是定值，它随结构动力特性的不同而有较大幅度变化。

1.2轴向变形不容忽视

在高层建筑中，因为其竖向荷载很大，所以它能够在柱中引起较大的轴向变形，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; 此外它还会对预测构件的下料长度、构件剪力和侧移等产生影响。

1.3 侧移成为控制指标

与底层建筑不同，结构侧移是高层建筑结构设计中的关键因素。水平荷载下结构的侧移变形随着建筑高度的增加而增大，与建筑高度的四次方成正比。因此，在水平荷载作用下，应将结构的侧移控制在一定的限度范围内。

2 高层建筑的结构体系

目前高层建筑的结构体系主要有三种: 框架—剪力墙体系、剪力墙结构体系、筒体体系，其优缺点见表 1。
结构体系优缺点
框架—剪力墙体系平面布置灵活、空间大，能适应较多功能的需要;框架结构的侧向刚度较小，对建造高度和层数有一定的要求
剪力墙结构体系具有良好的侧向刚度、规整的平面布置，抵抗侧向风力和地震能力强，它允许建造的高度远远高于框架结构
筒体体系采用筒体为抗侧力构件的结构体系，满足了高层建筑更高层数的要求，它具有很好的整体性和抗侧力性能

3 参数在高层结构设计中的应用

高层的合理性、安全性很大一部分取决于高层结构中参数的选取。所以，各参数的选择合理性能够很大的提高提升控制整体的效率。同时，也能够有效的使结构设计达到安全、经济、合理的效果。

3.1轴压比

控制结构的轴压比，从而达到结构延展性的要求。在特殊情况下，会出现不满足规范要求的状况，此时，可以通过增加墙、柱横面的面积或者增加墙、柱的混凝土强度的方法来合理调节。

3.2 剪重比

最小水平地震剪力是各楼层必须控制的，确保在安全的情况下增加其结构的周期长度。在小于或者同规范的限制额度相差较大时，可以增强纵向结构部件，增强墙、柱的竖向构件的延展程度来合理分配。

3.3 刚重比

建筑结构中要规范上限，此举主要用于重力荷载，在水平位移作用产生下引起二阶效应能否被忽略。当与最小限制值出现出入时。可以增加或者减少横竖向构件，加强墙、柱等纵向建筑结构的刚度来整合。

3.4 层间位移角

限制建筑结构在合理使用中的水平位移，能够有效保证高层结构应该必备的合理刚度需求。避免在施工或者居住过程中出现过大的位移，而影响了整个建筑构件的完整性和安全性。当出现与规范限制有出入时，应该采取转变平面结构布置、缩小建筑刚心与质心的偏心距等措施，将错误改正至规范限制内。

3.5 周期比

在建筑结构中，建筑的抗扭曲、抗扭刚度应该有意识增强。采取有针对性的方法增强其抗度。尽最大可能减小结构扭曲造成的严重问题。不符合规范限制时，施工单位要通过也只能通过更改结构布局，来进一步增加结构的刚度。

3.6刚度比

建筑结构中，很重要的一部分便是刚度比。控制刚度比，主要是为了限制结构纵向的布置不规律性。结构沿竖向变型或者扭曲，形成薄弱层，是我们必须要尽量出现的严重问题。与限制额度出现差值时，可增强刚度，或者削减刚度来进行针对性的弹性调整。

4 高层建筑结构的概念设计及抗震设计

4.1 概念设计的含义及其重要性

概念设计是对结构设计工程师和建筑师的一种能力的印证，它需要结构设计工程师和建筑师们在进行建筑设计时，有效的把握建筑的结构体系，不经过计算，就能从整体的角度对建筑结构的总体布置和抗震措施进行指导，仅从平面和立面的形式就可以对设计空间综合的进行协调，从而使最后的空间定形，无论是在功能要求，还是形式的需要方面都能与所设计的平、立面形式相吻合。当然，如果建筑师或者结构工程师想要进行结构的概念设计，他们首先就需要深刻的理解高层建筑结构的风作用、地震作用、场地土特征、结构的真实效应还有地震作用等以及其他的一些相关的基本概念。计算机结构体系设计一体化在现代社会基本上已经进入了全面应用的阶段，但是大部分工程设计师却没及时发现计算机结果明显不合理甚至还会存在很多的错误，尤其是现在大部分的工程师都是上世纪成就的人才，他们的年龄与大学中学到的那些孤立的概念已经与现代社会脱轨了，如果继续一味的根据自己曾经的知识来判断现代的建筑结构，根本不会有什么创新的结果。

4.2 结构概念设计的原则

在进行结构概念设计时，应该遵循的第一个原则就是全面考虑的原则，要巨无细遗的考虑到建筑设计中的方方面面，包括建筑结构和施工方面的考虑，从整体到局部都要进行很好的把握，更不能忽视他们之间的关系，还有建筑完成后带给使用者在视觉感受、功能使用方面、成本预算方面等的考虑。高层建筑拥有自己的自重特点，要从减轻自重的原则出发，建筑结构所承受的荷载大部分都是来自建筑物本身的自重，减轻自重也就减轻了结构的负荷。要让建筑结构合理受力，荷载均匀分布，多跨连续、空间作用、刚性连接、超静定的受理系统都可以使结构的受力状况均匀分布，分析结构的受力状况时，还要从各部分结构构件的直接受力状况和整体结构的宏观受力状况分析。材料尽可能的选用以轴向应力为主的受力状态，合理的组织构件的截面。优先选型，就是要优化结构体系，根据实际条件优化选择合适的基本构件，并确定他们的联系，确定构件的基本支撑做法。
4． 3 高层建筑结构的抗震设计
所谓的高层建筑，我们完全看以把它想成是一个从地面抛向空中的悬臂挂件，它的高度就决定了这种建筑承受的水平的和竖向的荷载都要强于一般建筑物，对他的抗弯矩和抗剪力的能力在概念设计阶段就要考虑细致，高层建筑特殊的受力

源于：论文参考文献www.udooo.com

特点不同于低层建筑，高度越高，水平荷载越强，例如地震和风力产生的作用就会越强，因此在地震强区若想建造高层建筑，就必须要保证所有的结构，包括结构细部都具有足够的刚度和强度，还必须具有很强的抗震能力。在框架结构体系中，梁柱的节点是这种结构体系的组合点，因此在增强抗震能力的环节中，节点也就成了关键部件，如果梁柱节点遭到破坏，那么框架结构的剪切脆性就会破坏，在节点处相交的梁和柱就会失效，“强柱弱梁”、“强节点弱构件”、“强剪弱弯”的设计原则，可以保证框架结构体系在地震的压力下还能保证足够强的延性和承载力，构造配筋、柱的轴压比，还有截面尺寸的选择，都可以影响到框架结构的抗震能力，尤其是对于节点的构造措施。建筑的平面形状也在很大程度上影响着建筑结构的抗震能力，平面形状越规正，抗震能力就会越强，所以在进行高层建筑时，尽可能的避免过大的外延或者是内收。
5 结语
总之，高层建筑结构设计的任务极为繁重，设计人员要认真地学习各项业务规范，不断提高自身理论知识水平，按照高层建筑工程的具体状况，结合自身实际工作经验，准确抓住高层建筑工程之设计要点，对所计算的结果进行合理的分析与科学的判断，只有这样才能设计出具有过硬质量和优秀品质的高层建筑。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。