高層建筑結構設計中應注意問題分析

馬桂群

摘要：文章結合筆者在高層建筑結構設計部分工作的經(jīng)驗和總結，簡要地分析高層建筑結構的特點和原則，在此基礎上，針對高層建筑結構設計過程中應注意問題進行了分析與研究，旨在為類似的項目結構設計工作提供參考。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；特點；原則；扭轉問題

引言

目前，隨著城市化進程的加快，高層建筑越來越多。在高層建筑的建設中，結構設計是其中非常重要的組成部分，對建筑物的建設、養(yǎng)護等產(chǎn)生重要的影響。一方面，高層建筑結構設計需要具有科學性和合理性，能夠滿足人們生活的需要；另一方面，高層建筑結構設計要具有安全性，能夠滿足抗震、抗風等基本要求，為人們的生活和學習提供安全保障。本文主要就高層建筑結構設計中應注意問題進行了論述。

1 高層建筑結構的特點

高層建筑結構具有與一般的建筑結構不同的特點，它同時承受著水平荷載和垂直荷載，其中水平荷載是由外界的風力所產(chǎn)生的，垂直荷載是由于建筑物高度所引起的，此外，高層建筑結構設計對抗震能力也有相應的要求。通常情況下，低層建筑結構受到的水平荷載比較小，垂荷載也比較小。但是，在高層建筑中，外界地震和外界風力會對高層建筑產(chǎn)生相當大的影響，并且是對高層建筑荷載的主要因素。隨著建筑物高度的不斷增加，高層建筑的位移較快的增長。但是，高層建筑過大的側移不僅會影響人的舒適度，還會對建筑物的使用產(chǎn)生影響，此外，過大的側移還會損害建筑物的結構構件和非結構構件。鑒于此，在進行高層建筑結構設計的時候，必須將側移控制在合理的范圍之內，使建筑物不會影響人的舒適度，不會影響建筑物的使用。因此，可以說，在高層建筑結構設計中，其核心是抗側力結構的設計。

2 高層建筑結構設計的原則

（1）選擇合理的計算簡圖。在計算簡圖的基礎上，對高層建筑結構設計進行計算，如果計算簡圖的選擇不合理，會造成結構不合理，容易出現(xiàn)由于結構不合理而發(fā)生安全事故。所以，要保證建筑結構設計的安全，必須選擇合理的計算簡圖，此外，為了保證計算簡圖的安全，在實踐中，我們需要采取相應的構造方法。在實際的結構設計中，其結構節(jié)點不僅僅局限于鋼節(jié)點或者餃節(jié)點，盡量減小誤差，將計算簡圖盡量控制在規(guī)范的規(guī)定之內。

（2）選擇合理的基礎設計。在進行基礎設計選擇的時候，需要按照高層建筑的地質條件進行。并且，對高層建筑上部的結構類型與荷載分布進行綜合分析，同時對施工條件以及相鄰建筑物的影響進行全面的考慮，在綜合分析和考慮的基礎上選擇科學合理的基礎方案。需要注意的是，基礎方案的選擇需要使地基的潛力能夠得到最大的發(fā)揮，如如果必要的話，可以對地基變形進行檢測。

（3）選擇合理的結構方案。合理的結構方案必須滿足高層建筑設計的結構形式和結構體系的要求，并盡量經(jīng)濟合理，以最少的花費獲得最佳的結構設計方案。受力在明確、傳力簡單是結構體系的基本要求，在相同的結構單元中，應該選擇相同的結構體系。選擇合理的結構方案的時候，需要分析地理條件、工程設計需求、施工條件、施工材料等等，在對這些指標進行綜合分析的基礎上進行結構選擇，以確定最佳的結構方案。

3 高層建筑結構設計中應注意問題

3.1結構的規(guī)則性問題

新舊規(guī)范在這方面的內容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案”。因此，結構工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

3.2結構的超高問題

在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結構的總高度都有嚴格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為a級高度的建筑外，增加了b級高度的建筑，因此，必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為b級高度建筑甚或超過了b級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中，出現(xiàn)過由于結構類型的變更而忽略該問題，導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當巨大。

3.3嵌固端的設置問題

由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協(xié)調等等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。

3.4短肢剪力墻的設置問題

在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為 5～8的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設計中，結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。

3.5 結構扭轉問題

建筑結構的幾何形心、剛度中心、結構重心即為建筑三心，在結構設計時要求建筑三心盡可能匯于一點，即三心合一。結構的扭轉問題就是指在結構設計過程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結構發(fā)生扭轉振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉破壞，應在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下，高層建筑扭轉作用的大小取決于質量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結構的扭轉振動，應使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下，由于城市規(guī)劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制，高層建筑不可能全部采用簡單平面形式，當需要采用不規(guī)則 l 形、t 形、十字形等比較復雜的平面形式時，應將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內，同時，在結構平面布置時，應盡可能使結構處于對稱狀態(tài)。建筑結構的振動周期問題包含兩方面：①合理控制結構的自振周期；②控制結構的自振周期使其盡可能錯開場地的特征周期。

3.6 結構側向位移的限值

高層建筑結構的水平位移隨著高度增長而迅速變大，為防止位移過大，規(guī)范對頂點位移和層間位移都作了一定的限制?？刂祈旤c位移u/h的主要目的是保證建筑內人體有舒適感和防止房屋在罕遇地震時倒塌。但控制房屋在罕遇地震時倒塌與否的條件是結構極限變形能力而不是u/h限值。另外，為使結構具有較好的防倒塌能力，應在結構計算中考慮相關效應?？刂茖娱g位移△u/h的主要目的是防止填充墻、裝飾物等非結構構件的開裂和損壞。

4 結語

總之，高層建筑結構設計是一項技術性和綜合性很強的工作，它對建筑設計具有十分重要的指導意義。隨著高層建筑也在日新月異的發(fā)展，對結構設計的要求也越來越高。本文通過分析了高層建筑結構的特點和原則，提出了高層建筑結構設計中注意問題，以供類似的工程參考與借鑒。

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