论高层建筑结构设计及注意问题

论高层建筑结构设计及注意问题

徐贤钻

徐贤钻(浙江通力市政园林工程有限公司325401)

摘要：近年来，随着我国社会经济的快速发展和城市化建设进程的不断加快，高层建筑成为当前我国城市建设的重要趋势，同时对高层建筑的结构设计也提出了更高的要求。本文主要就高层建筑结构设计的相关问题进行了论述。

关键词：高层建筑；结构设计；注意问题

一、高层建筑结构设计特点

1.1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。

1.2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，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之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。

1.3侧移成为控制指标。

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼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。

1.4结构延性是重要设计指标。

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

二、高层建筑结构设计的几个重要环节高层建筑的结构设计过程非常复杂，在进行设计时一般分为以下四个环节：2.1设计方案的提出，要结合建筑结构本身的实际情况提来进行。

在提出制定设计方案之前，首先要全面了解建筑结构本身的相关情况，进行实地的考察，例如对建筑的高度、层数以及安全等级等要熟悉，要掌握建筑结构所要求的抗震等级以及施工现场的地质情况。

依据所采集到的资料进行相应的分析，进而选适合的结构形式，然后根据建筑结构形式来进行相应的设计;2.2对结构的计算。

在完成建筑结构的方案设计之后，要对其中各环节数据进行精确计算，包括对各个部分所承受的外力载荷的计算，为后续的工作打下坚实的基础;2.3对于内力的计算。要依据结构计算阶段得出的数据对外力载荷以及各部分构件的截面来计算内力;2.4对构件的计算。要依据国家的相关标准规范的要求审定构件能否达到相关的要求，根据计算的结果对其进行科学合理的布置，从而符合相应的标准。

三、高层建筑结构设计分析3.1高层建筑结构设计要点水平荷载在高层建筑结构设计中起控制作用：在多层建筑中控制结构设计的是以重力为代表的竖向荷载，而在高层建筑中，即使重力荷载仍然对结构设计具有重要的影响，但起控制作用的则是水平荷载（风荷载和地震作用）。通常，在竖向荷载作用下，竖向构件中的轴力N随结构高度H呈线性关系增长，而水平荷载作用下的结构底部弯矩M则是随结构高度H的二次方关系而急剧增长。

侧向位移在高层建筑结构设计计算中必须加以限制：随着建筑高度H的增大，水平荷载作用下结构的侧向位移急剧增大。结构顶点侧移△与建筑高度H呈四次方的关系。轴向变形在高层建筑的侧移中占有重要的份额：在水平荷载作用下，高层框架的柱轴力较大，由柱子轴向变形产生的侧移也较大，它在高层框架的侧移中往往占有重要的份额，在设计计算中不容忽视，否则就会使侧移的计算结果产生很大的误差。

以一栋三跨12层的框架结构为例，在水平荷载作用下，柱轴向变形所产生的侧移可以是梁、柱弯曲变形产生侧移的40%，故在顶层最大侧移中，柱轴向变形产生侧移所占的比例相当大。

3.2结构分析中基本假定高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、筒体等）通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定：1）弹性假定。目前工程上实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。但是在遭受罕遇害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，出现裂缝，结构进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的，应按弹塑性动力分析方法进行设计。

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。

但有不少学者与研究人员对几何非线性问题（P-△效应）进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移△与建筑物高度H的比值△/H>1/500时，P-△效应的影响就不能忽视了。

3）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有三种：①一维协同分析。按一维协同分析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。在水平力作用下，将结构体系简化为由平行水平力方向上的抗侧力构件组成的平面结构。根据刚性楼板假定，同一楼面标高处抗侧力构件的侧移相等，由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下，则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。

②二维协同分析。二维协同分析虽然仍将抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作，同时计算；扭矩与水平力同时计算。在引入刚性楼板假定后，每层楼板有三个自由度u，v，θ（当考虑楼板翘曲是有四个自由度），楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。剪力楼板位移与其对应外力作用的平衡方程，用矩阵位移法求解。二维协同分析主要为中小微型计算机上的杆系结构分析程序所采用。

③三维空间分析。二维协同分析并没有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，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，应当有7个自由度。

四、高层建筑结构设计中应注意的问题4.1高度《高层建筑混凝土结构技术规程》规定了各种常见结构体系的最大适用高度。随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，因此对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。

4.2材料的选用在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题。在结构体系或柱距变化时。需要设置加强层及转换层，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，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。

综上所述，高层建筑结构设计是一项非常复杂而又长期的工程，任何一点错误或者遗漏都可能导致整个设计方案的失败，因此应当加强思想重视和设计技术创新，只有这样才能保证我国高层建筑工程建设事业的可持续发展。