高层建筑结构设计常见问题探讨

摘 要： 近年来，建筑高度的不断增加, 风格的变化多样， 给高层结构设计提出了新的课题和挑战。 本文就结构设计中特别要注意的几个问题进行了分析。
关键词： 高层建筑; 结构设计;常见问题
一、高层建筑结构设计特点
1 高层建筑结构设计的特点
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。
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。
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。
1.4 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。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、根据不同类型高层建筑， 选择合理的结构体系
2.1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的被动。
2.2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。 在实际工程设计中， 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。
2.3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。
2.4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。三、高层建筑结构分析和计算中应注意以下问题
在结构计算与分析阶段， 如何准确， 高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理， 是决定工程设计质量好坏的关键。由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分相当多的内容进行了调整和改进， 因此， 结构工程师也应该相当地对这一阶段比较常见的问题有一个清晰的认识。
3.1 结构选型。
3.1.1 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的被动。
3.1.2 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，一旦结构为级高度建筑或超过了 b 级高度， 其设计方法和处理措施将有较大的变化。在实际工程设计中， 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。
3.2 地基与基础设计
在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。 由于我国占地面积较广，地质条件相当复杂， 作为国家标准， 仅仅一本《地基基础设计规范》无法对全国各地的地基基础都进行详细的描述和规定， 因此， 作为建立在国家标准之下的地方标准。地方性的 “地基基础设计规范” 能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确，所以，在进行地基基础设计时，一定要对地方规范进行深入地学习，以
避免对整个结构设计或后期设计工作造成较大的影响。
3.3 非结构构件的计算与设计。
在高层建筑中， 往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。对这部分内容， 尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时， 由于高层建筑的地震作用和风荷载均较大， 因此， 必须严格按照新规范中增加的非结构构件的计算处理措施进行设计。
四、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。建筑结构的振动周期问题包含两方面:①合理控制结构的自振周期； ②控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。
6侧向位移的限值
高层建筑结构的水平位移随着高度增长而迅速变大，为防止位移过大， 规范对顶点位移和层间位移都作了一定的限制。 控制顶点位移u/h的主要目的是保证建筑内人体有舒适感和防止房屋在罕遇地震时倒塌。但控制房屋在罕遇地震时倒塌与否的条件是结构极限变形能力而不是u/h限值。另外， 为使结构具有较好的防倒塌能力， 应在结构计算中考虑相关效应。控制层间位移△u/h的主要目的是防止填充墙、 装饰物等非结构构件的开裂和损坏。
五、结语
近年来，高层建筑发展十分迅速，建筑造型新颖独特，建筑物的高度与规模不断增加。随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式、材料、力学分析模型都将日趋复杂且多元化。实践表明在高层建筑的结构设计与施工过程中，设计、技术人员只有概念清晰，措施得当，才能不断地完善和发展高层建筑。