高層建筑結構設計的問題及對策研究

李曉允

（鶴山市建筑設計院有限公司廣東 江門 529700）

高層建筑結構設計的問題及對策研究

李曉允

（鶴山市建筑設計院有限公司廣東 江門 529700）

在我國經(jīng)濟和技術不斷發(fā)展的今天，我國城市化建設的進程也逐漸加快，高層建筑也不斷涌現(xiàn)成為城市發(fā)展的一大標志。高層建筑的數(shù)量不斷增多的同時，在其結構設計上的許多問題也越來越明顯。本文在對高層建筑結構特征進行介紹時，通過分析高層建筑結構設計的原則，針對高層建筑結構體系的選型問題進行了闡述，并著重于分析高層建筑結構設計的問題和對策，提出筆者的相關建議與思考，以供參考。

高層建筑；結構設計；特征；問題；對策

自19世紀以來出現(xiàn)了現(xiàn)代高層建筑，隨著社會的進步人類的發(fā)展，如今，在人們的生活中高層建筑越來越成為了不可或缺的一部分。高層建筑的結構本身具有一定的復雜性，對設計人員提出更高的要求，設計出來的結構不僅要具有很好的抗震、抗風性能，同時還要保證結構的穩(wěn)定性，而且高層建筑的設計結構也要滿足一定的科學性和合理性。

1　高層建筑結構設計的特點

1.1結構延性——重要的設計指標

相較于低層建筑，在地震過程中，高層建筑結構變形更嚴重，所以在結構設計上，高層建筑與低層建筑相比要更加柔和一點。為了防止高層建筑的倒塌，且在建筑進入塑性變形階段后，不會引起結構整體明顯的變形，并且能保證結構的延伸性，因此，在設計時，應該針對具體問題，制定具體的方案。

1.2不可忽視的軸向變形

由于高層建筑結構自重很大，會發(fā)生明顯的變形，從而在柱中使軸向變形加劇，導致跨中正彎矩和端支座負彎矩增加，而連續(xù)梁中間支座處的負彎矩則會變小[1]。另外，影響結構軸向變形的因素很多，例如側移、構件剪力以及豎向變形等，都會對結構安全性產(chǎn)生直接的影響，為了保證結構的安全性，應該合理控制構件的下料長度。此時，我們需要通過精確的計算，確定最終的構件下料長度。

1.3決定因素為水平荷載

當我們要建造一定樓層的建筑時，其豎向荷載時定制的，水平荷載中的地震和風荷載作用，都會因為結構動力特性的不同其數(shù)值也會發(fā)生不同程度的幅度的改變；高層建筑結構所承受的力矩，受到水平荷載和豎向構件軸力兩方面因素的影響，且呈現(xiàn)正比例關系。因此，結構設計時，應該保證高層建筑的水平荷載彎矩、和軸力與建筑高度一次方呈正比例關系。

2　高層建筑物建筑結構設計的基本原則

2.1設計方案時要合理進行

在進行結構設計方案時，怎樣才具有合理性，首先建筑結構體系和建筑結構形式上一定要滿足高層建筑的結構設計原則，還要以節(jié)約成本為前提下做出最合理的設計方案[2]。建筑結構體系的基本要求就是需要傳力簡單和受力明確，當所建造的建筑具有相同的結構單元時，我們必須參考以前的范例，選擇相同的建筑結構體系。除此之外，在選擇合理化的建筑結構方案的同時，更應該將建筑施工的材料、建筑施工的條件、建筑工程設計的需求以及建筑的地理位置條件等考慮在內，綜合性分析所有要求，作出最合理的設計方案。

2.2基礎設計的合理進行

我們必須對每個建筑的地理位置、地質地貌、相鄰建筑物的影響等進行綜合分析，因為每個建筑的這些因素都不一樣，通過綜合分析最合理的基礎設計才會出現(xiàn)。除此之外，建筑物荷載以及建筑物上部的結構類型都受基礎設計好與壞的影響，特別對于高層建筑物，其更需要將建筑物荷載的分布情況考慮在內。與此同時，該高層建筑基礎通過對臨近建筑物地基的附加應力的影響從而會導致臨近建筑地基也發(fā)生變形的現(xiàn)象，最終發(fā)生工程事故。這些都是我們在基礎設計中不可忽視的。

2.3計算簡圖設計的合理進行

只有正確計算的數(shù)據(jù)才能保障建筑結構設計的安全性，這里我們提到計算，那么就出現(xiàn)了我們在設計中用到的計算簡圖，如果我們在設計計算簡圖時產(chǎn)生了不合理的設計，我們所計算出的結果的準確性也會受到很大的影響，更嚴重的情況下會出現(xiàn)錯誤的計算結果，錯誤的計算結果會對建筑物造成相當嚴重影響，從而使建筑的安全性得不到保障。為保證計算簡圖對建筑結構設計以及建筑物以后使用中的安全性沒有任何影響，應該在實踐中通過采取相應的構造措施來避免問題的發(fā)生。

3　高層建筑結構體系的選型

高層建筑的結構體系是建筑的結構在抵抗來自于水平方向和豎直方向的荷載時構件的組成形式和傳力的路徑[3]。通過屬于豎向構件的墻體，柱等和屬于水平構件的樓蓋等將豎向荷載一直傳遞到建筑基礎，同時為了將水平荷載傳遞到基礎，建筑采用利用了抗側力體系。

我們可以根據(jù)高層建筑結構的材料將高層建筑的結構體系分為四類：一種是鋼筋混凝土結構體系，這種結構體系是運用最廣泛的一種，具有由混凝土和鋼筋一起受力的特點，而且在實際施工中具有成本低，抗壓持久，防火等優(yōu)點，從整體上看，其性能十分優(yōu)良，但是也同時存在豎向力比較大，不能很好的延伸，施工進程緩慢的缺點；另一種是具有強度高，強抗震性，實際施工操作方便，延展性強和用途多等優(yōu)點的鋼結構體系，但這種結構同時也具備建造成本高，不能有效防火等缺點；另外兩種結構體系分別是鋼、混凝土混合結構體系和鋼、混凝土組合結構體系，其中，鋼混凝土結構體系在具有鋼筋混凝土構件和鋼構件長處的同時，鋼構件的材料強度也得到了增加。

目前常見的高層建筑結構分為三種，按照結構形式，即一種是框架結構體系，另一種是剪力墻結構體系，還有一種是框架-剪力墻結構體系。但實際設計中，應該堅持一個原則，即梁、柱為結構的主要承載物，且承受結構自重荷載。所以，在設計時，應該充分考慮結構變形和側向位移問題。同時，框架結構內力大的特點，使之適用于不大于50m高度的建筑；剪力墻結構體系就是將高層建筑的墻體作為抵抗側力和豎向承重的結構體系。由于剪力墻結構的剛度大，整體性能好，不容易因為水平作用力而發(fā)生變形現(xiàn)象，所以比較適合應用在高層建筑中，但是剪力墻結構也有不足之處，因為其間距小，所以不能靈活的布置平面。

4　高層建筑結構設計問題以及相應的措施分析

4.1建筑結構的規(guī)范性問題

我國將建筑物的安全放在重點關注的對象中，所以高層建筑的工程項目就多了很多限制因素。我們需要做的就是對高層建筑工程項目中可能存在一些安全隱患進行必要的預防與控制[4]。舉個例子：在建筑結構設計中，對建筑結構嵌固端的下層和上層剛度結構比有限制性的規(guī)定。而且，在國家最新頒布的規(guī)范中，明確的指出不規(guī)則的建筑設計方案不能在高層建筑結構設計中被采用，所以，高層建筑結構設計必須嚴格的按照新出每一條規(guī)范來對建筑結構進行設計，避免發(fā)生危險事故。

4.2高層建筑結構設計短肢剪力墻設置問題

在新規(guī)范中，墻肢截面高度與厚度之比為5～8則墻定義為短肢剪力墻，并根據(jù)實際經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了許多限制，在設計高層建筑中時，避免這些限制因素給設計增加的一些不必要的困難，結構工程師通常使用的都不是短肢剪力墻。

4.3結構的規(guī)則性問題

在這一方面，新的規(guī)范有了較大的改動，使限制條件增加了不少。如：嵌固端上下層剛度比以及平面規(guī)則性等等有了不少限制。除此之外，新規(guī)范中強制規(guī)定建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案，為了使后期施工圖的設計階段工作順利快速地進行，結構工程師一定要對個方面進行綜合分析，按照新規(guī)范里的各項條款進行工作。

4.4結構超高的問題

在高規(guī)范以及抗震規(guī)范中，對結構的總高度是有非常嚴格的限制的，尤其是超高的問題，不僅在新規(guī)范中增加了B級高度，而且原來的限制高度被設定為A級高度，致使設計方法和處理措施在相應程度上都有很大的變動[5]。由于忽略了該問題而造成不能使施工圖通過審查的現(xiàn)象，我們就必須要開專家會議進行論證或重新設計，這樣不僅工程的工期被延誤，也會影響工程的整體規(guī)劃。

4.5嵌固端的設置問題

一般高層建筑配有大于一層的地下室或者人防。而高層建筑的地下室的頂板或者人防的頂板等位置設有嵌固端[6]。所以，結構工程設計人員在進行設計時，要著重注意嵌固端的設置可能帶來的不便。將嵌固端的樓板的設計和固端上層和下層的剛度比進行綜合分析，此外，嵌固端上層和下層的抗震等級要一致；在設計人員對高層建筑進行整體計算時，應合理對嵌固端進行設置，在設置嵌固端所放位置時要綜合考慮高層建筑結構抗震縫隙設置。

5　結束語

高層建筑的結構設計過程是長久和復雜的，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象或錯誤都會讓整個設計變得更加困難或導致設計結果的安全性得不到保障。我們只有把每個問題都考慮全面，結構設計的安全性才有保證。

[1]張政.高層建筑結構設計的問題和策略分析[J].價值工程，2014（16）：161～162.

[2]孫文波.高層建筑結構設計中一些特殊問題的分析處理[J].華南理工大學學報（自然科學版），2001，29（7）：74～78.

[3]劉偉瓊.關于高層建筑結構設計探析[J].中國新技術新產(chǎn)品，2011（3）：270.

[4]李汝偉.淺談高層建筑結構設計的幾個問題[J].城市建設理論研究，2014（12）.

[5]李亞.高層建筑結構設計的問題及解決路徑研究[J].城市建設理論研究，2014（10）.

[6]姚鵬正.高層建筑結構設計的要點探析[J].城市建設理論研究，2014（12）.

TU318

A

1673-0038（2015）18-0001-02

2015-3-17

李曉允（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結構設計工作。