小議高層建筑結構設計的常見問題

譚志平

摘要：隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和建筑功能的多樣化，城市人口的不斷增多及建設用地日趨緊張和城市規(guī)劃的需要，促使高層建筑得以快速發(fā)展。特別是各種結構設計新規(guī)范陸續(xù)實施以來，結構設計者在工作中經(jīng)常會碰到一些問題。本文就高層建筑結構設計的常見問題進行探討。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；常見問題

1高層建筑結構設計特點

1.1 水平作用力起決定性作用。盡管豎向荷載仍對結構產(chǎn)生重要影響，但是水平荷載卻起著決定性作用，因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比，而水平荷載對結構產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎向構件中引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比；與此同時，對高層建筑來說，豎向荷載作用可以看成是確定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度變化的。

1.2 側向位移成為控制指標。與多層建筑不同，結構側向位移已成為高層建筑結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加，在水平荷載作用下結構的側向變形迅速增大，與建筑高度的四次方成正比。另外由于高層建筑隨著高度的增加、輕質高強材料的應用、新的建筑形式和結構體系的出現(xiàn)，導致側向位移迅速增大，因此在設計中不僅要求結構具有足夠的強度，還要具有足夠的抗側移剛度使結構在水平荷載作用下產(chǎn)生的側向位移被控制在限制內，否則結構會發(fā)生由于側向位移增加而導致主體發(fā)生大裂縫甚至房屋倒塌這樣的嚴重情況。

1.3 軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續(xù)粱彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調整；另外對構件剪力和側移產(chǎn)生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

1.4 結構延性是重要設計指標。相對于多層建筑而言，高層建筑結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當?shù)拇胧?。保證結構具有足夠的延伸性。

2高層建筑結構設計中常見的問題及解決措施

2.2高層結構超高。由于近年來地震災害的發(fā)生率越來越頻繁，對高層建筑工程有直接的威脅，因此在當今高層建筑結構設計過程中，應充分考慮地震因素的影響，要保證高層建筑物的高度在規(guī)定范圍內，同時還要加強建筑物的防震結構設計，以往高層建筑物結構設計中最為常見也是最為嚴重的問題就是高度超標，另外還有與工程設計變更性較大，導致相關設計人員對超高問題不夠重視，因此在施工前施工圖紙的審核過程中，沒有仔細地檢查高度設計，從而導致施工中出現(xiàn)嚴重的施工故障，不但造成了經(jīng)濟損失，還延誤了工期。

2.3嵌固端設置環(huán)節(jié)中的問題。由于當今的高層建筑通常情況下都具備地下室和相應的人防設備，高層建筑物中的地下室通常情況下為1-4層，其中的地下室頂板位置和人防頂板位置一般都設置相應的嵌固端結構，然而在進行高層建筑實際設計過程中，設計工程師和相應的設計人員都沒有對嵌固端的設置位置選擇予以高度的重視，另外對于嵌固端設置需要高度關注的方面往往被設計工程師等設計人員所忽視，從而為設計后期帶來了大量不必要修改的麻煩，同時給工程項目施工過程中，直接影響了安全施工和正常生產(chǎn)。

2.4高層結構設計的規(guī)則性方面。高層建筑的設計環(huán)節(jié)中應嚴格按照國家新頒布的高層建筑規(guī)范，由于新頒布的規(guī)范與原來的相關規(guī)范有很大的出入，另外還由于新規(guī)范在舊規(guī)范的基礎上又添加了很多限制性法規(guī)，因此，要保證高層建筑物的設計工作滿足當今高層建筑施工的需要，就必須遵守現(xiàn)行的規(guī)范要求?，F(xiàn)行的規(guī)范新添加的限制性要求主要包括：平面規(guī)則信息要求、嵌固端上下強度比例要求等多環(huán)節(jié)的要求。除此之外，現(xiàn)行的高層建筑設計規(guī)范還明確的要求了建筑結構設計要具備一定的規(guī)范性，并堅決杜絕使用規(guī)則性地的設計方案，因此設計工程師和相關設計人員要在設計之前對新規(guī)范有所了解，并嚴格按照相關要求來進行高層建筑群房結構設計，保證結構設計的規(guī)范性符合標準要求，避免因結構設計不規(guī)范所導致的設計為后期的審核工作帶來的不便。

3高層建筑的結構設計注意事項

3.1協(xié)調合理的平面以及豎向布置。在高層建筑結構布置過程中，平面布置簡單規(guī)則，盡可能的對稱，使結構的剛度與質量中心重合，平面的長度不宜過長，突出部分應當適當?shù)臏p小，平面凹角部分必須有加強設計。對于豎向布置，應盡可能的做到結構剛度的連貫性，避免側向剛度與承載力的突變造成薄弱層。由于高層建筑的結構上部通常為截面縮小的突出構造，容易造成剛度突變應當采取一定的設計加過措施。高層建筑物的高寬比一般控制在5-6以下，對于對抗震設防烈度等級較高的高層建筑設計，高寬比更應嚴格控制。

3.2高層建筑結構受力荷載計算必須準確。對于高層建筑物設計中，荷載計算主要是指豎向荷載以及水平荷載的計算。在結構設計豎向荷載計算時可以采取滿布活荷載的方式計算結構內力，如果結構的豎向活荷載比較大，必須分析活荷載的不利位置單獨計算。水平荷載的計算主要包括地震荷載與風荷載，由于水平荷載對高層建筑物產(chǎn)生的傾覆力矩及其長產(chǎn)生的豎向軸力與高度的平方成正比，而且由于高層建筑的水平荷載例如風荷載等的具有隨機性，其荷載大小隨結構特性的不同變化程度較大，因此在設計參數(shù)選取時必須綜合分析。

3.3嚴格控制各項設計指標。高層建筑設計需要綜合考慮分析的設計指標主要包括側移變形與位移比、結構延性以及剪重比與單位面積重度。由于高層建筑物較高，水平荷載作用下的側移變形較大，必須對側移變形嚴格控制。位移比對于評價結構平面是否規(guī)則具有重要的作用，根據(jù)相關規(guī)范說明，對于偶然偏心影響的地震作用下，A、級高層建筑位移比需要小于1.5，B、級高層建筑物位移比需要小于1.4。對結構延性的控制，則主要是應對地震等災害發(fā)生時，為了提高高層建筑物塑性變形時期的變形能力，以避免倒塌破壞的發(fā)生。剪重比主要是體現(xiàn)高層建筑結構對地震反應程度的指標，單位面積重度則是分析結構構件截面設計是否合理，同時也是高層建筑荷載計算的參數(shù)之一，高層建筑物的單位面積重度一般控制在15kN/ m2左右。

3.4合理的基礎形式及埋深設計。高層建筑物的基礎形式需要結合建筑物的規(guī)模以及地質條件確定，而且需要確保足夠的埋置深度。高層建筑大多采用樁基礎，樁基礎又分為樁柱基礎、樁梁基礎、樁墻基礎、樁筏基礎以及樁箱基礎。高層建筑形狀規(guī)則而且高度不是較高的情況下通常采用小群樁的樁柱基礎以及樁梁基礎，對于形狀不規(guī)則而且地基條件相對較差時，一般采用樁筏或樁箱基礎。對于樁基礎設計，必須合理的選擇持力層以及樁長設計，同時確保樁基滿足水平荷載的要求。

4結語

高層建筑結構設計是一個長期、復雜甚至循環(huán)往復的過程，任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設計過程變得更加復雜或使設計結果存在不安全因素。所以，設計人員要嚴格按照規(guī)范的規(guī)定進行設計。只有精益求精、對自己設計的每一項工程負責，不斷學習、汲取前人的經(jīng)驗和教訓，才能真正地做好結構設計。

參考文獻：

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