高層建筑結構設計要點分析

張朔元

摘 要：隨著高層建筑技術的迅速發(fā)展，人們對建筑的要求也提出了更高的要求，如何設計出舒適、安全經(jīng)濟實用又符合人們的精神生活要求的建筑已成為首要解決的問題。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；要點

一、高層建筑結構設計特點

1、水平荷載是決定因素

首先，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引發(fā)的軸力及彎矩的數(shù)值，僅僅和樓房高度的一次方成正比，但是水平荷載對結構產生的傾覆力矩和在豎向構件中由此引起的軸力，與樓房高度的兩次方成正比；另外，對一些一定高度樓房來說，豎向荷載基本上是固定值，但作為水平荷載的地震作用和風荷載。

2、側移是控制指標

和低層樓房不同，高層樓房結構設計中的結構側移是關鍵因素。隨著樓房高度的不斷增長，水平荷載下結構的側移變形也隨之迅速增加，結構頂點側移與建筑高度的四次方成正比。所以結構在水平荷載作用下的側移必須要控制在一定限度之內。

3、結構延性成為重要設計指標

延性是指構件和結構屈服后，在承載能力不降低或基本不降低的情況下，具有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比來表示。受彎構件會隨著荷載的增加，首先受拉位置混凝土出現(xiàn)裂縫，表現(xiàn)出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服，受壓位置高度降低，受壓位置混凝土被壓碎，最后導致構件被破壞。

4、軸向變形也不容輕視

在高層建筑理，豎向荷載數(shù)值會較大，會使柱中引起很大的軸向變形，從而會導致對連續(xù)梁彎矩產生一系列的影響，使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值變小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值變大，對預制構件的下料長度也會產生影響，這就要求依據(jù)軸向變形計算值，對下料的長短做出相應調整；另外對構件剪力和側移也會產生影響，和考慮構件豎向變形相比較，結果會偏于不安全。

二、高層建筑結構設計的原則

1、建筑結構設計往往會涉及到一些關鍵的理念，如：“強柱弱梁”，“強剪弱彎”等，這些設計師需要注意。結構體系是由不同的構件協(xié)調組成的，因此各構件都發(fā)揮著不同的作用，在整個建筑中有輕重之分。

2、在設計過程中的安全架構必須是層層設置，尤其是當災難發(fā)生時的抵抗外力破壞將發(fā)揮有效作用。如果只是將抗風險的希望都集中寄托在建筑的某一個結構上，這是非常不穩(wěn)定的。多肢墻優(yōu)于單片墻，框架剪力墻好于純框架好等等，這些都是防御層的設計思路的重要體現(xiàn)。

3、需要堅持科學建筑結構的優(yōu)點互補的原則。結構過于剛性其變形能力差，如果建筑受到巨大的破壞力則，應該要承受的損害更大，常常發(fā)生局部破壞，但結構過于限制外力，但往往因為變形過大而難以正常使用。

三、高層建筑結構設計要點

1、地基與基礎設計

高層建筑結構中地基是建設施工的基礎。建筑設計師在進行高層建筑結構設計的過程中要對建筑地基進行全面了解，要對建筑結構和建筑環(huán)境進行全面分析，確保將環(huán)境和施工有效結合在一起，提高設計的可實行性。我國的建筑環(huán)境差異較大，地質情況各不相同，因此在進行設計的過程中設計人員要對地質狀況進行深入研究，確保施工順利進行。設計人員要首先對地質水位進行勘探，對地質數(shù)據(jù)、上層結構類型、使用功能、施工條件進行綜合考慮。其次要對周圍建筑環(huán)境安全進行研究，觀察建筑物沉降或傾斜狀況。最后要對建筑物設置位置及標高進行了解，對建筑施工科學性進行分析，確保施工順利進行。

2、水平荷載問題

施工的過程中影響建筑質量的因素主要有：垂直荷載、風力產生的水平荷載、地震抵抗力等。水平荷載對建筑質量起決定性作用。水平荷載是建筑結構設計的主要控制因素，其在樓房自重及樓面自重等方面具有非常好的結構控制效果，可以對樓房結構進行傾覆，加強建筑豎構件的作用力。設計人員要對水平荷載的大小和方向進行分析，對水平荷載可能導致的高層建筑結構問題進行預防和控制，加強對建筑結構的強化效果，減少水平荷載造成的建筑結構問題。

3、結構側移問題

側移問題是當前高層建筑設計中的關鍵影響因素。在高層建筑結構中，水平荷載作用可以導致高層結構向側面變形，導致建筑結構出現(xiàn)側移。因此，設計人員要對結構強度進行有效控制，加強對風荷載作用力產生的內力抵抗效果，要對內側的剛度進行強化，確保在水平荷載下產生的側移在一定的范圍內，降低可能出現(xiàn)的側移問題，提高高層建筑的使用安全性。設計人員要對高層建筑的側移進行定時監(jiān)測，對超出側移范圍的高層建筑及時進行處理，降低可能出現(xiàn)的建筑質量問題和安全問題。

4、結構延性問題

高層建筑結構具有較好柔和性，在地震作用下可以形成更大的形變。為了提高高層建筑結構的抗震作用，設計人員要對建筑結構塑性形變進行強化，保證高層建筑在進行塑性形變的過程中仍具有較強的抵抗變形能力。要在進行高層建筑結構設計的過程中對高層建筑結構進行合理強度強化，對高層建筑邊角、高層建筑底座等部分進行合理處理，保證高層建筑結構具有足夠的延性，加強高層建筑的安全性和穩(wěn)定性。

5、結構選型問題

高層建筑結構施工工藝在一定程度上不僅會影響到建筑施工材料的消耗，還在很大程度上影響到工期和質量。因此在進行高層建筑結構選型的過程中，設計人員要對建筑結構體系進行全面控制，對建筑結構工藝進行合理選取。在進行選型的過程中，設計人員要對高層建筑結構平面及立面進行控制，保證將建筑結構的幾何中心、剛度中心、結構中心有效匯于一點，提高單獨結構的控制效果。要注意將建筑結構力學分析進行完善，保證建筑施工的受力效益和受力特性，對高層建筑結構選型概念階段進行設計，保證建筑施工的經(jīng)濟效益。設計人員要對選型環(huán)境、工藝、施工效果等因素進行全面考慮，提高建筑結構的綜合效益，降低可能出現(xiàn)的工程資源消耗和工程資源浪費現(xiàn)象。

6、抗震及連梁問題

在進行抗震設計的過程中，高層建筑一般不采取單純框架結構體系，常選取框架一剪力墻、剪力墻、筒體結構等完成對自身結構的加固和抗震。這種方法可以有效提高對地震的抵抗效果，加強建筑結構的經(jīng)濟性。除此之外，高層建筑在進行內力和位移計算的過程中還常使用彈性剛度。彈性剛度可以有效對連梁超筋或截面控制超過剪壓比的連梁剛度進行控制，提高連梁的效果。在框架-剪力墻結構中，設計人員可以對連梁的剛度進行降低，對剛度系數(shù)進行折減。當折減后建筑結構仍不能滿足設計的需要和要求，設計人員可以適當對連梁進行內調幅，但是在實際調幅過程中要保證調幅力度低于20%。

結速語：高層建筑由于其層數(shù)較多、空間結構的變化性較大，對于安全性、耐久性以及抗震性能具有特殊的要求，混凝土的結構設計狀況在更高的程度上，為建筑質量施加直接的影響。因此，高層建筑的建設單位極其注重其中混凝土結構的設計工作。

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