浅谈高层建筑结构设计的问题与探讨
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【摘要】随着我国综合国力的不断提高，房地产业迅猛发展，建筑业已成为社会支柱产业之一。由于土地资源宝贵，所以高层建筑数量剧增。目前的工程设计领域中，往往不够重视结构经济性问题，导致同一工程不同的人设计其土建造价可能差别很大，造成不必要的浪费。而高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性。本文对高层建筑结构设计中的几个问题进行探讨。
【关键词】高层建筑 结构设计 问题 探讨
前言
高层建筑结构设计的过程是设计者发挥主观能动性的过程，同时也是知识运用和经济分析高度融合的过程。由于每一个设计工作者的知识和经验都是有差别的，正是这种差别的存在，导致了对于一个功能相同，约束条件相同的设计，不同的结构工程师可能采用不同的结构体系，设定不同的空间尺度、选用不同的结构材料来实现同一设计目标。然而，采用不同材料不同的结构体系以及不同的空间尺度，往往经济性能都不相同，甚至相差很大。所以，我们要注重设计的各个环节。
一、高层建筑结构设计的特点
1、轴向变形不容忽视：
高层建筑中，竖向载荷很大，能在柱中引起较大的轴向变形，对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大，此外还会对预测构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下科长度进行调整：另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。
2、结构延性是重要设计指标
相对于底层建筑而言，高层建筑的结构更柔和一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使高层建筑结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
3、水平荷载成为决定因素
一方面，因为高层建筑楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比：而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比：另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度变化。
4、抗震设计要求更高
有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。
二、高层建筑结构设计的几个问题
1、高层建筑结构受力性能
对于―个建筑物的最初的方案设计，建筑师考虑更多的是它的宅间组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由―些大而重的构件所组成。因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的。而建筑设计的―个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基上的承载力之间的关系。所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。
2、高层建筑结构设计中的扭转问题
建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心．在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点，即一心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏，应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷载作用下。高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀。减轻结构的扭转振动，应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下。由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不可能全部采用简单平面形式，当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内，同时，在结构平面布置时，应尽可能使结构处于对称状态。
3、高层建筑抗震设计中常见问题
1） 高度问题
按我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3―2002)规定综合考虑经济与适用的原则，给出了各种常见结构体系的最大适用高度，详表1
表 1 钢筋混凝土结构高楼的最大适用高度(m)
这个高度是在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下，较为稳
妥的，也是与目前整个土木工程规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土
结构高层建筑的高度超过了这个限制，如：采用组合结构体系的金茂大厦，高达
420.15m（建筑高度）；采用混凝土结构体系的中信广场，也高达322m（建筑高度）。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化，随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。
2）材料的选用和结构体系问题
在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m 以上的建筑，采用的三种主要结构体系(框―筒、筒中筒和框架―支撑) ，这些也是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外特别在地震区，是以钢 结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90 %。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80 %以上的地震作用剪力，有的高达90 %以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担， 而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，且加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。
在高层建筑中， 根据现在我国建筑钢材的类型、 品种和钢结构的加工制造能力，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱) 结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，为减小风振，钢骨(钢管) 混凝土通常作为首选。在钢骨混凝土构件中，日本阪神地震震害说明，采用格构式的型钢时，震害严重，采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的，则震害要减小许多。
3）轴压比与短柱问题
在钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制柱的轴压比而使柱的截面很大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋。即使采用高强混凝土，柱断面尺寸也不能明显减小。限制柱的轴压比是为了使柱子处于大偏压状态，防止受拉钢筋未达屈服而混凝土被压碎。柱的塑性变形能力小，则结构的延性就差，当遭遇地震时，耗散和吸收地震能量少，结构容易被破坏。但是在结构中若能保证强柱弱梁设计，且梁具有良好延性，则柱子进入屈服的可能性就大大减少，此时可放松轴压比限值。另外，许多高层建筑底部几层柱的长细比虽然小于4 ，但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比≤2 的柱才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值，柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。
结语
总之，我国的高层建筑建设发展迅速，但设计质量方面来看，并不理想。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
【l】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 J．
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