关于高层建筑结构设计的初步探讨

摘　要：本文主要对高层建筑结构分析、高层结构设计的影响因素、设计心得进行了论述
关键词：结构设计 ； 水平荷载 ；基础设计
1.高层建筑结构分析　
1.1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：
(1)弹性假定。目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。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。
(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－Δ效应)进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值 Δ/H > 1/500时， P－Δ效应的影响就不能忽视了。

2.高层结构设计的影响因素
2. 1 水平荷载成为决定因素
任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。在较低楼房中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，水平荷载产生的内力和位移很小，对结构的影响也就较小；但在较高楼房中尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，水平荷载却起着决定性的作用。随着楼房层数的增多，水平荷载愈益成为结构设计中的控制因素。一方面，因为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，以及由此在竖构件中所引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面对某一高度楼房来说，竖向荷载的风荷载和地震作用，其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。在高层结构中，竖向荷载在竖构件中引起的轴向力N，水平荷载q 对结构产生的倾覆力矩M，与房屋高度H 存在着如下的关系式。
竖向荷载 N =WH 　(1-1)
水平均布荷载 M = 1/2qH2 (1-2)
水平倒三角形荷载 M = 1/3q H2 (1-3)
式中，q、W——分别为作用于楼房每米高度上的水平荷载和竖向荷载(kN/m)。

2.2 轴向变形不容忽视
由结构力学可知，计算结构构件位移的公式为内力或位移

通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了。由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。
① 对连续梁弯矩的影响
采用框架体系和框-墙体系的高楼中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，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。在较低楼房中，因为柱的总高度较小，此种效应不显著，所以可不考虑。
② 对构件剪力和侧移的影响
轴向变形的影响在结构分析中应当考虑，但是，结构所受的竖向荷载并不是在结构完成之后一次施加的。特别是，占竖向荷载绝大部分的结构自重是在施工过程中逐层施加的，轴向压缩变形已在施工过程中分阶段完成，并在各楼层标高处找平，实际上并不完全类似与以上分析的情况。所以，在考虑轴向变形时，要考虑施工过程中分层施加竖向荷载这一因素，不能简单的按一次加载考虑，否则会出现一些不合理的计算结果，如邻近剪力墙和筒体的上层框架柱，在竖向荷载作用下出现拉力；上层框架梁出现过大弯矩和剪力等。

3.高层结构设计心得
3.1基础设计
地基与基础设计一直是结构工程师比较重视的方面，不仅仅由于该阶段设计过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行，同时，也是因为地基基础也是整个工程造价的决定性因素，因此，在这一阶段，所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。
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。

3.2群桩挤土效应的处理
在高层建筑使用桩基基础时，由于柱 (墙) 底力较大， 桩数布置比较多， 会产生挤土效应，尤其是对于百米左右的高层建筑以及软土层较厚、桩长比 较长的基础来说，就尤为明显。挤土效应对周边建筑物、道路、市政管线、以及对相邻桩基的影响是较大的，甚至是不可预料的，可能造成周边道路土层的隆起、管线被挤裂而出现漏水漏气、相邻桩基被挤斜甚至挤断等等不利的情况，影响人们的生产生活。为了避免出现这些破坏因素，提前采取处理措施是非常重要的。
例如：某工程桩基情况为:桩数约为800根，桩心距在3. 5d-4d 之间、桩长约为40m。 我们可以粗略估算挤土量的大小如下: 每根桩桩长按照 15m、桩径按照500mm计算，每根桩为FI*0.5' *15= 11.775m' , 800根为， 420m' ， 地下室单层建筑面积约为6500扩 ，场地约提高9420/6500= 1.45m。 所以其影响是很大的， 对这种桩数多、密度大、桩长较长的情况，我们在桩基施工前采取了一些消挤措施， 并提出了相关要求: (1 )采用消挤孔取土，取土深度控制在 20m 左右: ( 2) 消挤孔位置布置: 在桩基平面图中指定消挤孔的位置，要求取土孔位置与工程桩位置吻合，且取土与压桩一一对应进行，隔根梅花型布置: ( 3) 在建筑周边布置两排消挤孔带，整排布置，间距800、孔径400，前后两排交错布置， 消挤孔带退开建筑周边工程桩lm 以外;( 4)消 挤孔洞口边需要采取适当的维护安全措施: ( 5) 工程桩在施工时的顺序; 先主体后裙房，由建筑中心向 周边辐射状进行。其中在第( 2) 点要求的取土位置与工 程桩的对应是出于防止工程桩空孔位置不准而带来的桩身倾斜，断桩等不良后果， 但是这种要求在具体施工时有一定的难度，考虑到工期等因素，我们有做了相应调整. 可以在场地上间距一定距离钻孔取土，不一定要与工程桩位置对齐，但是在工程桩施工时，应该先在未取土位置压桩，取土孔位置应该在挤土填实后再进行压桩。目前桩基分项工程己经竣工，桩偏位以及桩身混凝土质量情况良好，场地土以及周ｙ边建筑，道路管线等均未有影响，取得了比较满意的成绩。
4.结束语
高层建筑设计比普通的多层建筑具有更高的挑战性， 从建筑使用功能到结构安全性、结构的体系合理性、设备配套等等都提出了更高的要求. 结构专业如何能做得更好是我们应该不断钻研探索的课题，总结设计经验，学习前辈以及设计同行的优点、先进的技术，避免设计概念的错误. 不断提高自己的水平是我们永远奋斗努力的目标所在。
参考文献：
[1] 陈启斌，《小议高层建筑结构设计》，今日科苑，2008年 第14期.
[2] 史三元，《冯博高层建筑结构设计与分析》，河北工程大学2010～2011学年第二学期研究生课程 论文 报告.
[3] 倪荣荣，《高层建筑结构设计若干问题探讨》，才智，2011年 第23期.