浅谈关于高层建筑结构设计分析

摘　要： 随着城市化发展以及建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多。随着我国国民经济不断发展和人民生活的迅速提高。高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。本文对高层建筑结构设计的几个问题进行阐述,对高层建筑进行结构设计时,必须以高层建筑结构设计为基础,进行深入的分析研究。
关键词：高层建筑; 建筑结构; 结构设计
1.高层建筑结构设计分析
　　1.1高层建筑的水平荷载已成为决定性要素，由于楼房的自重与楼面使用荷载在竖构件当中所造成轴力与弯矩之数值， 仅仅和楼房高度的一次方成正比关系， 而水平荷载对于结构所形成的倾覆力矩及由此而在竖构件当中所引起之轴力， 和楼房高度的二次方成正比关系 因此， 对于某一座具有一定高度的建筑物来说，竖向荷载主要为定值，而水平荷载之风荷载的数值随着结构动力特点之不同而出现了较大变化
　　1.2高层建筑的轴向变形不可忽视，高层建筑的竖向荷载值较大， 可在柱中引发比较大的轴向之变形，将对连续梁弯矩造成直接影响， 导致连续梁中间的支座处负弯矩值出现减小趋势， 不仅跨中正弯矩之和端支座负弯矩值将会增大， 而且还将对预制构件下料长度形成影响， 因而要求依据轴向变形来计算， 并对下料长度作出调整
　　1.3高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力和刚度，使结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规范规定的范围内.因此,高层建筑结构所需的侧向刚度由位移控制。
　　1.3.1结构的侧向位移过大将产生下列后果：使结构因P-Δ效应产生较大的附加内力,尤其是竖向构件,当侧向位移增大时,偏心加剧,当产生的附加内力值超过一定数值时,将会导致房屋的倒塌。
　　1.3.2使居住的人员感到不适或惊慌.在风荷载作用下,如果侧向位移过大,必将引起居住人员的不舒服,影响正常工作和生活.在水平地震作用下,当侧向位移过大,更会造成人们的不安和惊吓。
　　1.3.3使填充墙或建筑装饰开裂或损坏,使机电设备管道遭受损坏,使电梯轨道变形造成不能正常运行，使主体结构构件出现较大裂缝,甚至损坏。
　　1.4高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义.从地基承载力或桩基承载力考虑,如果在同样地基或桩基情况下,减轻房屋自重意味着不增加基础的等份和处理措施,可以多建层数,这在软弱土层上有突出的经济效益.
地震效应是与建筑的质量成正比,减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法.高层建筑中质量大了,不仅作用于结构上的地震剪力大,还由于重心高地震作用倾覆力矩大,对竖向构件产生很大的附加轴力,P-Δ效应造成附加弯矩更大.
因此,在高层建筑房屋中,结构构件宜采用高强度材料,非结构构件和围护墙体应采用轻质材料.减轻房屋自重,即减小了竖向荷载作用下构件的内力,使构件截面变小,又可减小结构刚度和地震效应,不但能节省材料,降低造价,还能增加使用空间。
　　1.5有抗震设防的高层建筑，应进行详细勘察，摸清地形、地质情况，选择位于开阔平坦地带，具有坚硬场地土或密实均匀中硬场地土的对抗震有利的地段；尽可能避开对建筑抗震不利的地段，如高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡、河岸和边坡，较弱土、易液化土、故河道、断层破碎带，以及土质成因、岩性、状态明显不均匀的情况等；任何情况下均不得在抗震危险的地段上建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物。
　　1.6地基基础的承载力和刚度要与上部结构的承载力和刚度相适应。当上部结构与基础连接部位考虑受弯承载力增大时，相邻基础结构及上部结构嵌固部位的地下室结构，应考虑弯矩增大的作用。

　　2.高层建筑结构受力概念
　　对于一个建筑物的最初的方案设计，建筑师考虑更多的是它的空问组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。
　　建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。
　　对于低层、多层和高层建筑，竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的，但是，随着高度的不断增加。竖向结构体系成为设计的控制因素，其原因有两个：其一，较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒；其二，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。
　　与竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的，而随建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比，而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比，地震的作用效应更加明显。在高层建筑中，问题不仅仅是抗剪，而更重要的是整体抗弯和抵抗变形，可见，高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异。
　　不同抗震等级，结构构件的内力增大系数和构造要求是不同的，对结构中某一构件，随着抗震等级的提高，其内力增大系数随之也增大，构造要求也更为严格，因此，实际上也提高了结构的安全度。
　　超限高层抗震性能目标，增大结构地震作用，实际上加大其构件的内力设计值，对构件的截面和配筋相应也加大，结构安全度也相应的提高。
　　因此，不管采用提高结构抗震等级的手段还是设定抗震性能目标的方法，均可提高结构的安全度，这是它们的相同点，不同的地方在于出发点不同，手段不同，结果也有差异。
　　超限高层建筑抗震性能目标与提高抗震等级之间的差异，首先，设定抗震性能目标，增大结构地震作用，加大其构件的内力设计值；而提高抗震等级通过放大构件内力的手段，从而达到加大构件截面和配筋。
　　其次，设定抗震性能目标，可以通过结构的刚度关系，有目的地加大重要构件的内力设计值，而提高抗震等级，是普遍地提高其构件的内力设计值，目的性不是很明确。

　　3.高层建筑结构的问题分析
　　3.1结构的超高问题：在抗震规范和高规范中，对结构的总高度有着严格的限制，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级高度以为，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。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。
　　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的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题，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。
　　3.4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。
　　4.结语
　　近年来，高层建筑越来越多，越来越多的结构设计人员在设计中遇到高层建筑。掌握高层建筑结构设计是每个结构设计人员所必须的。笔者经过多年的设计实践，为高层建筑发展创造了前所未有的机遇。为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。