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浅谈高层建筑结构设计原则及注意问题高层建筑结构设计例题 摘要：随着建筑功能及城市规划发展的需要，高层建筑的层数日益增加。由于高层建筑的主要特点表现为体型大、层数高、基础设置深等，因此其结构设计趋向复杂性与多样性。在高层建筑结构设计中，应充分考虑多方面问题，以提高其使用功能与造价成本的性价比。 关键词：高层建筑；结构设计；布置；问题 中图分类号：TU355文献标识码：A 1高层建筑结构设计的原则 1.1选用适当的计算简图：结构计算式在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当则会导致结构安全的事故常常发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。 1.2选择合适的基础方案：基础设计应根据工程地质条件，上部结构类型与载荷分布，相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析，选择经济合理的基础方案，设计时宜最大限度地发挥地基的潜力，必要时应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告，对一些缺少地质报告的建筑应进行现场查看和参考临近建筑资料。通常情况下，同一结构单元不宜用两种不同的类型。 1.3合理选择构方案：一个合理的设计必须选择一个经济合理的结构方案，也就是要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷。同一结构单元不宜混用不同结构体系，地震区应力求平面和竖向规则。总而言之，必须对工程的设计要求、材料供应、地理环境、施工条件等情况进行综合分析，并与建筑、电、水、暖等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时应进行多方案比较，择优选用。 1.4正确分析计算结果：在结构设计中普遍采用计算机技术，但是由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、条件等进行全面了解。在计算机辅助设计时，由于结构实际情况与程序不相符合，或人工输入有误，或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，因而要求结构工程师在拿到电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。 1.5采取相应的构造措施：结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压若拉原则”，注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的执行段锚固长度；考虑温度应力的影响力。 2高层建筑结构的布置 2.1结构平面布置 平面形状简单、规则、对称尽量使质心和钢心重合。偏心大的结构扭转效应大,会加大端部构件的位移，导致应力集中。平面突出部分不宜过长。扭转是否过大，可用概念设计方法近似计算钢心、质心及偏心距后进行判断，还可以比较结构最远边缘处的最大层间变形和质心处的层间变形，其比值超过1.1者，可以认为扭转太大而结构不规则。 2.2结构立体布置 结构竖向布置最基本的原则是规则、均匀。 规则，主要是指体型规则，若有变化，亦应是有规则的渐变。体型沿竖向的剧变，将使地震时某些变形特别集中，常常在该楼层因过大的变形而引起倒塌。 均匀是指上下体型、刚度、承载力及质量分布均匀，以及它们的变化均匀。结构宜设计成刚度下大上小，自下而上逐渐减小。下层刚度小，将使变形集中在下部，形成薄弱层，严重的会引起建筑的全面倒塌。如果体型尺寸有变化，也应下大上小逐渐变化，不应发生过大的突变。上不楼层收进使得体型较小的情况经常发生，但是对于收进的尺寸应当限制。收进的部位越高，收进后的平面尺寸越小，高振型的影响明显加大。如果上部楼层外挑，造成“头重脚轻”的状况，将使扭转反映明显加大，竖向地震影响也明显变大。 3高层建筑结构设计中应注意的问题 3.1高层建筑结构的基础设计 在对高层建筑结构进行设计的过程中，首先应研究建筑所处的地基基础对建筑抗震能力的应力影响，再做出适当的选择，这也是高层建筑结构设计的重要内容。基础作为高层建筑的根基，也是建筑中最重要的组成部分，若一座建筑没有坚实的地基为保障，那么再好的上部结构也仅能是一个空架子，甚至会造成上部结构的倾斜或破坏，影响建筑安全度。一般高层建筑基础类型的选择较复杂，甚至比上部结构的选型更难，由于高层建筑地基的影响因素诸多，因此要慎重选择。 3.2剪力墙的数量及位置 在高层建筑结构中，除了在两端布置剪力墙筒外，在结构纵向中沿轴线还应再设计两片剪力墙结构，以提高纵向的刚度、并调整刚度中心位置，尽量使其与质量中心重合，并根据底层结构的截面面积及楼面面积比为5%的比例决定剪力墙的界面厚度及柱截面，通过进一步设计对截面进行调整，以保证其结构分析的结果位移与周期均保持在合理范围之内。 3.3高层建筑结构设计的计算软件选择 目前应用于高层建筑结构设计的软件诸多，但是每一款软件在实际计算模型过程中存在一定差异，就会造成最终计算结果略有不同，因此在对工程的整体结构进行计算及分析时，应根据不同高层建筑的结构类型及各种计算机软件模型的特点来合理选择，并对于不同软件对同一建筑计算结构差异较大的数据中，科学判断其合理性，最终选定一个数据作为参考，这也是结构设计工程师的必备本领。否则，若选择了不合适的软件进行计算，不仅浪费了时间与精力，还会给高层建筑的结构带来不安全隐患。 4高层建筑结构设计中的特殊问题 4.1位移的限值问题 在高层建筑中，决定其定点位移的限值因素不仅是数值大小，还与振动频率密切相关。一般人对高层建筑中的振动频率感知是很敏感的，而对震动幅度的大小则相对较弱，因此只要结构的摆动频率不是过高就能满足建筑的应用舒适度，对于为了避免由于结构的变形过大而产生的层间相对位移现象，限值在现有的规范中是较严格的，可以适当放松其指标规定。再加上各种计算程序在算法中的区别，同一个结构若采取不同的程序进行计算，那么对层间位移数值也会造成较大差异，最主要原因就是每个软件对“层间位移”的定义各不相同，有些是充分考虑楼层在经过转动后其最大角点的位移状况，有些则单指楼层的形心位移情况。对于较规则的高层建筑而言，形心位移是十分重要的，而角点位移则主要反映出结构楼层实际位移状况，也是工程师在结构设计中应注意的问题。 4.2高层建筑中竖向刚度变化 为了进一步调整高层建筑高度在竖向的分布问题，混凝土墙的厚度及柱子截面的尺寸沿照竖向进行变化，混凝土的等级也应适当变化在三次左右，并相互交错处理。而经过大量实践计算表明，高层建筑中上下楼层的刚度比值至少控制在0.77上，对于结构刚度变化明显、可能产生突变受力的楼层，如地下室顶板、钢骨混凝土柱、塔楼大屋面和大洞口的楼层等，都需要加厚楼板，并采用双层配筋，以提高楼板平面的刚度，发挥刚性横隔板的作用，保障建筑安全使用。 4.3结构超高问题的解决 在高层建筑的抗震规范中，对建筑结构的总体高度有严格规定，尤其在新规范中对超高问题较为重视，除了将原有对高度的限制设为A级高度的建筑外，还增加了对B级高度建筑的规定，因此在结构设计中需对建筑超高问题引起重视，一旦建筑超过了其规定的等级，在设计和处理方式上都会产生较大变化。 结语 近些年来，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掌握的知识处理实际建筑设计中遇到了各种问题。 参考文献 1梅洪元，付本臣.中国高层建筑创作理论发展研究R.高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2002. 2赵西安.现代高层建筑结构设计M.北京：科学出版社，2004. 3于险峰.高层建筑结构设计特点及其体系J.建筑技术，2009（24）. 第 7 页 共 7 页