建筑设计师评职论文浅析高层建筑结构设计的常见问题

　　摘要: 随着我国国民经济不断发展和人民生活的迅速提高。业主及建筑师的创新艺术使得高层建筑发展被广泛应用。高层建筑结构设计给工程设计人员提出了更高的要求，本文就高层建筑结构设计过程中的常见问题进行一些探讨。

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　　高层建筑随着城市化的发展越来越多样化，而出现的问题也更加复杂。随着层数和建筑高度增加，利用结构空间作用，又发展了框架—简体结构、简中简结构、多简结构和巨型结构等多种结构体系。高层建筑结构的承载能力、侧移刚度、抗震性能、材料用量和造价高低，与其采用结构体系有着密切关系。不同结构体系，适用于不同层数、高度和功能的建筑。在高层结构设计中，水平力是控制的主要因素，在地震区水平力是高层建筑结构设计的决定因素。剪力墙结构刚度大、周期短、地震作用大，在设计中应注意调整结构刚度。总之，伴随着建筑类型与功能越来越复杂，结构体系更加多样化，高层建筑的结构设计也成为结构工程师设计工作的主要重点和难点。

　　一、高层建筑结构设计的特点

　　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.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。

　　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。

　　4.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。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主要步骤

　　二、

　　1.确定合理的基础设计方案

　　在进行高层建筑的基础设计过程中，要结合当地的地质条件、荷载的具体分布、上部的结构类型以及相邻建筑的影响和施工条件等各项因素进行分析，选择合理性、经济性的基础方案。在设计过程中，地基的潜力要充分发掘，如有必要要对地基的变形进行计算。在基础设计过程中，地质勘察材料就已经完整的形成，如果建筑缺乏相应的地质报告，则要到现场查看，邻近的建筑物资料也可作为参考。

　　2.确定最佳结构方案

　　一个成功的建筑结构设计，一定是最经济、最合理的方案。结构体系的设计不但要明确其受力，还要便于传力，不同的结构体系不可混用于相同的结构单元。所以在进行结构设讲地，工程的设计要求、施工情况以及材料供应等均要作用综合分析的因素，与水、电、暖等同时进行协商，以此为基础进行结构的选型，最终确定出最佳方案。

　　3.确定适用的计算简图

　　结构计算是以计算简图为基础的，而实际结构设计中因为计算简图的不合理而导致结构不安全的问题时有发生，因此，计算简图的适用性、合量性也是保证结构安全的重要因素之一。由于实际结构的节点不是单纯的刚结，因此计算简图要有相应的构造来保证，不过其误差不可超出相关标准规定的范围。

　　4.分析计算结果

　　现在计算机技术在高层建筑的结构设计中得到了广泛的应用，但是由于其软件种类众多，不同类型的软件由于其算法不同，有可以得出不同的计算结果。因此设计人员在利用计算时，如果发现程序和某个结构的实际情况不符，或者存在人工输入的错误，甚至软件自身的缺陷等都要及时查找原因并纠正，以保证计算结果的准确性。

　　5.采用合理的构造方法

　　高层建筑结构设计的过程中，要对构件的延性尤为注意，对其薄弱位置更加关注。钢筋锚固的长度要注意，尤其是钢筋直线段的锚固长度，而且温度应力对其所造成的影响也要考虑进去。此外，平面、立面的布置要遵循对称、均匀、规范的原则，尽量不要出现薄弱部分，并且要通过极限状态做验算。

　　三、选择合理的结构体系问题

　　1.结构的规则性问题

　　新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作被动。

　　2.结构的超高问题

　　在抗震规范与高规中，对结构的总高度都有严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为a级高度的建筑外，增加了b级高度的建筑，因此，必须对结构的该项控制因素严格注意，一旦结构为b级高度建筑甚或超过了b级高度，其设计方法和处理措施将有较大的变化。

　　3.嵌固端的设置问题

　　由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。

　　4.短肢剪力墙的设置问题

　　在新规范中，对墙肢截面高厚比为5-8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。

　　四、正确认识高层建筑的受力问题

　　选择合理的结构类型高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构, 垂直荷载主要使结构产生轴向力与建筑物高度大体为线性关系; 水平荷载使结构产生弯矩。从受力特性看, 垂直荷载方向不变,随建筑物的增高仅引起量的增加;而水平荷载可来自任何方向, 当为均布荷载时, 弯矩与建筑物高度呈二次方变化。从侧移特性看, 竖向荷载引起的侧移很小, 而水平荷载当为均布荷载时, 侧移与高度成四次方变化。由此可以看出, 在高层结构中, 水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响, 水平荷载是结构设计的控制因素, 结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有较大的强度外, 同时要求结构要有足够的刚度, 使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。

　　五、高层建筑结构设计中的扭转问题

　　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。为避免建筑物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l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。

　　六、轴向变形问题

　　任何建筑结构在外力作用下产生的位移都包括弯曲、轴向变形和剪切变形三部分。在低层建筑结构设计中，通常只考虑弯曲变形，而忽略铀向变形和剪切变形的影响，因为一般结构构件的轴力和剪力产生影响较小，可不考虑。而高层建筑由于层数多、轴力大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会对高层结构的内力产生很大影响。此外，高层结构中的剪力墙的截面也往往很大。因此，剪切变形的影响不可忽略。

　　采用框架体系和框架—剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴向压力往往大于边柱的铀向压力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。故在高层建筑设计中，轴向变形不能不考虑。

　　在高层建筑结构的力学计算中，根据所选计算手段，所计算的构件变形因素是有区别的。对于简化助手计算方法，一般只计算最基本的变形。采用计算机方法计算时，计算的变形因素要多一些。当用空间协同工作方法时，考虑了梁的弯曲、剪切变形，考虑了柱、剪力墙的弯曲、剪切和轴向变形;当用完全的三维空间分析方法时，除考虑了前面全部变形外，还增加了梁、柱、剪力墙的扭转变形，以及剪力墙墙体截面的翘曲变形。

　　七、高层建筑结构设计的抗震问题

　　地震是难以预测以及精确计算的，地震作用而使建筑物承受的力，因地震作用的大小、地基的坚固度，以及建筑物固有的周期而异。地震作用的大小被评估为静态的水平力，通常都会随着建筑物的高度的增加，建筑物水平力的比例就会变小。对于某一方向的地震作用，相同方向的抗震要素的抵抗，会与其刚度成正比。

　　1.施加于建筑物的地震作用

　　由震源传来的地震波，当地表附近的地基越软弱时就越会增强，而且随着建筑物增高及固有周期变长时，摇动的力就变小，而且越到建筑物的上方楼层，摇动的力(加速度)就有变大的倾向。基于这些因素的考虑，定出施加于建筑物的地震作用，这被当作施加于建筑物各楼层的水平力来评估。

　　2.抗震因素的配置

　　毫无疑问，建筑物会从各方向承受地震作用，如果将整体建筑物当作是二维框架的集合体去考虑力的传递就容易使人理解。与地震作用的水平方向平行的框架负担着水平力，各层柱子与抗震墙等则按刚度比例负担地震作用。

　　3.构架的变形抵抗

　　对结构体施加水平力时，若超过其支承的弹性限度，变形就会急遽地增加，达到最大强度。在设计时，对于频度高的地震，通常都停留在支承力的弹性极限以下，大地震时则不要超过其最大强度。

　　4.构件的强度与韧性关系

　　强度大的抗震因素不需要韧性。墙壁与斜撑的韧性较小，框架构架的韧性较大。

　　5.抗震因素平面上的平衡

　　抗震因素平面上的平衡不良的建筑物，在承受地震作用时容易产生伴随扭力回转的变形，刚性弱的部分就会产生很大的变形，使该部分的破坏有增大之虞。由于地震作用是属于惯性力，因此力的作用中心要与重心一致。所谓的在平面上采取平衡，也就是地震作用的中心，亦即重心与抗震因素之刚度的中心(被称作刚心)必须一致。即使平面上的刚性(框架的刚度)一致的建筑物，当它向后退缩时，由于下方楼层的重心会从中心偏离，将会产生失稳。此外，如抗震墙与钢骨框架之类的刚度大的抗震因素呈偏心配置的建筑物，就容易产生失稳。

　　6.抗震因素之剖面上的平衡

　　当抗震因素的刚度在上下方向不均匀，且硬楼层部与软楼层部混合在一起时，地震作用就会集中于软楼层部，使该楼层部分承受的力及变形变大，会有增大破坏之虞。尤其是二楼以上的部分墙壁多且一楼没有墙壁的建筑物，称作悬挑建筑物，有许多在地震时会发生一楼瓦解的破坏。建筑物由几种构架构成，且各种构架的上下方向能够采取平衡时则很理想，而以各层之框架的刚度总和采取平衡亦可。

　　结语

　　高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何在这个过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。所以把每个重要问题都考虑全面了，才能保证结构设计的安全。

　　参考文献：

　　[1]《混凝土结构设计规范》( GB50010 -2010)

　　[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ3 -2010)

　　[3]《建筑抗震设计规范》( GB50011 -2010)

　　[4]崔立成.钢筋混凝土高层结构设计中的几个问题[J].中国新技术新产品，2010，(1).

　　[5]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.