关于高层建筑结构设计的问题与措施

摘 要：高层建筑结构设计现在主要成为工程设计人员在设计上的工作重点和难点。本文主要对高层建筑结构的特点进行了分析，并提出了提高建筑结构设计的措施，以达到保证建筑的安全。

关键词：高层建筑；结构设计；措施

1 高层建筑结构设计的意义及依据

1.1 概念设计的意义。高层建筑能做到结构功能与外部条件一致，充分展现先进的设计，发挥结构的功能并取得与经济性的协调，更好地解决构造处理，用概念设计来判断计算设计的合理性。

1.2 概念设计的依据。高层建筑结构总体系与各分体系的工作原理和力学性质，设计和构造处理原则，计算程序的力学模型和功能，吸取或不断积累的实践经验。

2高层建筑结构设计特点

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。

2.1 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；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。

2.4 结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高层建筑结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。

3 高层建筑结构分析

3.1 高层建筑结构分析的基本假定。

3.1.1弹性假定。目前，工程上使用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是，在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移而出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。

3.1.2 小变形假定。小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。

3.1.3 刚性楼板假定。许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法，并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。

3.1.4 计算图形的假定。高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形主要是三维空间分析。二维协同分析并未考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调（竖向位移和转角的协调），而且忽略了抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度，对于具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥的。

3.2 高层建筑结构静力分析方法。

3.2.1 框架———剪力墙结构。框架———剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大多采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式也不相同。

3.2.2 剪力墙结构。剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。按受力特性的不同，单片剪力墙可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。剪力墙的类型不同，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法，此法较为精确，而且适用于各类剪力墙。但由于其自由度较多，机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。

3.2.3 筒体结构。按照对计算模型处理手法的不同，筒体结构的分析方法可分为3 类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。

4提高建筑结构设计质量的措施

4.1 重视概念设计

4.1.1所谓的概念设计就是运用清晰的结构概念， 不经数值计算， 依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理 、震害、实验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，对结构及计算结果进行正确的分析，并考虑结构实际受力状况与计算假设间的差异，对结构和构造进行设计，使建筑物受力更合理、安全、协调。在建筑设计的方案阶段，根据经验和专业设计理论，在脑海中进行一个“ 优化”过程，运用概念设计方法可以迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，同时帮助建筑师开拓或实现建筑物所想要的空间形式及其使用、构造与形象功能，并以此为目标与建筑师一起确定建筑的总体结构体系，明确总体结构体系与分体结构体系的最优受力方案。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免了后期设计阶段一些不必要的烦琐运算，具有较好的经济可靠性。同时，这也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。概念设计是结构设计的核心和灵魂，它统领结构设计的全过程，贯穿着设计工程师的知识水平和设计水平。运用结构概念设计从整体上把握结构的各项性能，这样才能对计算分析结果进行科学的判断、合理的采用，保证了工程师在设计中的主导地位。

4.2 做好资料收集工作，认真确定计算参数

4.2.1对于建筑工程来讲， 由于其所处的地理位置，决定了在进行结构设计时所涉及的具体参数会存在一定的特殊性。例如，不同地区具有不同的风压、雪压、地震强度、土壤类别等，因此，在进行参数的选取和计算时应充分考虑这些因素。另外，对于比较特殊的建筑，还必须根据试验和以往类似工程的一些经验来确定有关参数的取值。在进行建筑结构设计前，要尽量收集与设计相关的信息， 如工程资料、具体规范等，资料收集的越多，参数的确定也就越准确，同时，还可以避免因为参数不合理而导致返工情况的发生。

4.3 重视结构计算与地基基础设计

4.3.1建筑结构计算结果是施工图设计的重要依据，并且计算结果是否正确直接关系到建筑结构设计的可靠性和安全性，所以必须引起设计人员的高度重视。例如在楼板计算中应选用正确的计算方法进行楼板计算，对于连续板不能选用单向板的计算方法，对于双向板计算应考虑材料泊松比对其的影响，以避免由于未调整跨中弯矩而造成计算值不准确 ；基于科学技术的不断发展，大多数结构计算均采用计算程序进行计算，这种计算结果虽然精确度很高，但是缺少与必要的设计经验相结合，所以必须对电算结果进行分析、评价，以此判断其正确与否，可否作为建筑结构设计的依据。

4.3.2地基基础设计是建筑结构设计中的重要环节，该环节的设计质量优劣直接与后期设计工作是否能够顺利开展息息相关。为使地基基础设计更符合建筑所在地的地基基础类型特点 ，设计人员应在熟知国家相关标准的前提下，对地方性的《地基基础设计规范》加以深入学习 ，明确地基基础特点，丰富地基基础设计经验，掌握设计处理的方法，使地基基础设计更符合建筑工程的实际地理情况。

5 结语

在进行高层建筑结构设计时，只有综合考虑各项原则，结合建筑物的使用功能，对整体结构进行把握，对结构设计中的重点以及特殊部位进行重点优化设计，才能确保高层建筑的使用安全、舒适，经济合理。