1、高层建筑结构设计探析摘要：随着高层建筑在我国的迅速发展，建筑高度的不断增加，建筑类型与功能的愈来愈复杂，结构体系的更加多样化，高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。结构设计是一项集结构分析、数学优化方法以及计算机技术于一体的综合性技术工作，是一项对国家建设有重大意义的工作，同时，亦是一门实用性很强的工作。在对高层建筑进行结构设计时，必须以高层建筑结构设计理论为基础，对影响高层建筑结构的主要因素进行深入的分析研究，做到精心设计，确保质量、安全。本文对高层建筑结构设计等问题进行了分析。 关键词：高层建筑结构设计；结构体系；问题中图分类号：TU973+.19文献标识码2、：A文章编号：引言随着高层建筑的迅速发展，结构理论和建筑技术也不断得到提高，高层建筑结构形式也开始趋于多样化发展，其表现形式也是多种多样，但是也随之出现了一些高层建筑设计方面的问题。在作为城市风景线的同时，高层建筑还面临着如何搞好高层建筑结构设计的问题，如何多方面完善高层建筑的设计是目前高层建筑设计所追求的主要理念。1.高层建筑结构设计原则1.1钢筋混凝土高层建筑结构设计应与建筑、设备和施工密切配合，做到安全适用、技术先进、经济合理，并积极采用新技术、新工艺和新材料。1.2高层建筑结构设计应重视结构选型和构造，优先选择抗震及抗风性能好且经济合理的结构体系与平、立面布置方案，并注意加强构造连接。3、在抗震设计中，应保证结构整体抗震性能，使整个结构有足够的承载力、刚度和延性。2.高层建筑结构设计的特点2.1轴向变形不容忽视：高层建筑中，竖向载荷很大，能在柱中引起较大的轴向变形，对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；此外还会对预测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。2.2结构延性是重要设计指标：相对于底层建筑而言，高层建筑的结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使高层建筑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，4、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。2.3水平荷载成为决定因素：一方面，因为高层建筑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，仅与建筑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变化。3.结构选型阶段 对于高层结构而言，在工程设计的结构选型阶段，结构工程师应该注意以下几点：3.1结构的规则性问题。规范在这方面有相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、竖向规则性信息、嵌5、固端上下层刚度比信息等，而且，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的被动。3.2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。规范中针对超高问题，除了限制高度设定为A级高度的建筑外，还有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。还应注意到新高规设计适用范围调整为10层及10层以上或房屋高度大于28米的住宅建筑结构和房屋高度大于24米的其他民用高层建筑结构。在实际工程设计6、中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题。导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况， 对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。3.3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7、下安全隐患。3.4短肢剪力墙的设置问题。 在新规范中，对墙肢截面高厚比为58的墙定义为短肢剪力墙。且根据实验资料和实际经验，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。 4.高层建筑结构分析的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：4.1 弹性假定。 目前工程上高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算8、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，出现裂缝，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。 4.2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。但有不少人对几何非线性问题（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。 4.3 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9、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。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。4.4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各榀抗侧力构件组成10、的平面结构。根据刚性楼板假定，同一楼面标高处各榀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单榀抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上各榀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，（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11、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，有7个自由度。5.结束语我国的高层建筑建设发展迅速。但从设计质量方面来看，并不很理想。在高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择。高层建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析，用掌握的知识处理实际设计中遇到的各种问题。参考文献： 1包世华,方鄂华.高层建筑结构设计M.北京:清华大学出版社,1990. 2肖峻，高层建筑结构分析与设计J，中化建设，2008，(12). 3范小平，高层建筑结构概念设计中相关的几个问题应用分析J福建建材，2008.