城市高层建筑结构存在哪些设计问题？

随着经济的快速增长，城市化进程的飞速发展，高层建筑在我国的一些大中城市发展迅速，大大丰富了城市景观，与此同时高层建筑的结构类型和功能也更加趋向于复杂化和多样化，为此，对建筑结构设计也就提出了更高的要求。在本文中，笔者主要从高层建筑结构的选型设计、抗风设计三个方面论述了城市高层建筑结构的设计问题。

近代随着科学技术的发展，尤其是钢铁、电梯的出现以及后来钢筋混凝土的应用，为高层建筑发展创造了前所未有的机遇，高层建筑也成为城市空间中一道独特的风景。

1 高层建筑结构的选型设计

对于一个城市而言，高层建筑往往具有一定的代表性和象征性，可以反映一个城市经济水平和发展程度，根据工程实践经验，如果高层建筑结构体系选型不当，任凭再用先进的结构理论和精确的计算方法，也较难作出安全可靠、经济合理的高层建筑结构设计。正确处理高层建筑结构体系的选型问题，对于高层建筑结构设计而言，具有重要意义。

1.1 高层建筑结构体系的分类

高层建筑结构体系按结构形式分类主要有：框架结构；抗震墙结构；框架―抗震墙结构；筒体结构；部分框支抗震墙结构；板柱―抗震墙结构等等。不同的结构体系所具有的强度和刚度是不一样的，因此它们适用的高度也不同。各种结构形式适用的高度范围在《建筑抗震设计规范》中有明文规定。一般地，框架结构布置灵活，具有较大的室内空间，在考虑抗震设防要求的建筑中，由于框架梁柱截面较小，抗震性能差，刚度较低，而且高层建筑中的框架填充墙在地震中破坏严重，修复费用较高。故其多用于高度低、层数少的公共建筑。框架―抗震墙结构既具有框架结构布置灵活、方便使用的特点，又有较大的刚度和较强的抗震性能，多用于公共建筑和旅馆建筑等。抗震墙结构刚度很大，空间整体性好，承载力大，在水平力作用下侧移小，用钢量较省。它比较适用于高层住宅及旅馆建筑等隔墙较多的建筑。一般框架―抗震墙结构和抗震墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求；筒体结构抗侧刚度大、空间受力性能好，当建筑物的层数多、高度大、设防烈度高时，采用前述几种结构体系往往难于满足要求，可用筒体结构。

1.2 结构选型阶段要注意的问题

一是要注重结构的规则性。由于新、旧规范在这一方面出现了比较大的变化，新规范在此增加了比较多的限制因素。比如平面规则性方面的信息、嵌固端上、下层之间刚度比方面的信息等。与此同时，新规范采取了强制性规定，要求建筑物不能采用严重不规则之设计方案。所以，工程技术人员在明确新规范的限制条件中一定要加以注意，从而避免出现后期施工图设计阶段之被动。

二是要注重结构的超高性。新规范在应对超高问题上，除了把原先的限制高度设置为A级高度之外，同时还应增加B级高度之建筑。所以，一定要对高层建筑结构中的这一项控制因素加以注意，假如结构为B级高度建筑，或者已经超过了B级高度，那么其设计方法与处理方法都将出现一个相当大的变化。在具体的工程设计之中，出现过因为结构类型之变更而忽略这一问题的情况，从而造成施工图在审查时未能通过，一定要重新做出设计，这对于工程的工期与造价等总体规划存在着相当大的影响。

三是要注重嵌固端设置。因为高层建筑普遍带有二层或者二层以上的地下室与人防工程，嵌固端极有可能被设置于地下室的顶板上，同时也有可能被设置于人防顶板等处。例如，对嵌固端楼板设计、加强对嵌固端上下层刚度比限制、在进行结构整体运算时做好嵌固端设置等。假如忽视了其中的任何一方面，均有可能对后期设计工作造成大量安全隐患。

2 高层建筑的抗风设计

2.1 高层建筑结构在风荷载作用下的破坏形式

主体结构开裂或损坏，如位移过大引起框架、剪力墙、承重墙裂缝或结构主筋屈服；层间位移引起非承重隔墙开裂；局部风压过大引起玻璃、装饰物、围护结构破坏；建筑物的频繁、大幅度摆动使居住者感到不适；长期的风致振动引起结构疲劳，导致破坏。

2.2 高层建筑结构抗风的一搬设计原则

保证结构具有足够的强度，能可靠地承受风荷载作用下的内力；结构必须具有足够的刚度，控制高层建筑在水平荷载作用下的位移，保证良好的居住和工作条件；选择合理的结构体系和建筑外形。采用较大的刚度可以减少风振的影响；圆形、正多边形平面可以减少风压的数值；尽量采用对称平面形状和对称结构布置，减少风力偏心产生的扭转影响；外墙、玻璃、女儿墙及其它围护构件必须有足够的强度并与主体结构可靠地连接，防止局部破坏。

2.3 抗风设计的主要研究内容

2.3.1 风荷载的计算

我国规范GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》对荷载统计采用50年设计基准期，并且用平稳二项随机过程来描述荷载的随机过程。气流遇到建筑物时，在建筑物表面上产生压力或吸力，即形成风荷载，其大小主要与近地风的性质、风速、风向有关，也与建筑的高度、形状和地表面状况有关。

根据新规范进行主体结构计算时，垂直于建筑物表面的风荷载标准值按下式计算，风荷载作用面积应取垂直于风向的最大投影面积：

式中：为风荷载标准值(kN/m2)；为基本风压(kN/m2)；为风压高度变化系数；为风荷载体型系数；范围为高度处的风振系数。

2.3.2 风荷载作用下高层建筑的振幅、震动速度和加速度控制

2.3.3 高层建筑的水平位移指标

根据现行的建筑结构设计规范，对于高层建筑结构在风荷载作用下的变形响应主要作以下两方面的限制：①限制结构的顶端水平位移u与总高度H的比值(u/H)，目的是控制结构的总变形量；②限制相邻两层楼盖间的相对水平位移Δh与层高h的比值(Δu/h)，一般Δu /h在结构的各层中具有不同的比值，且往往最大的Δu/h要超过u/H的限值。限制最大的Δu/h目的是防止填充墙、装饰部件的损坏，避免电梯轨道和管道等设施产生过大的变形。

高层建筑结构的变形控制对于控制风振侧移是非常重要的，结构侧移特别是层间侧移是决定建筑物破坏程度的因素，因此能否将侧移控制在允许限度内，是检验抗侧力体系有效性的重要指标。

3 结束语

随着经济的迅速发展和城市规模的不断扩大，在城市中涌现出越来越多的高层建筑。做为高层建筑的结构设计人员应不断学习和提高，重视结构试验研究成果，结合施工实践，通过大量工程经验的积累，作出技术先进、安全可靠、经济合理的各种高层建筑的结构设计。