浅谈高层建筑结构设计的要点
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内容摘要：本文结合笔者多年的工作实践，根据高层建筑结构特点，对结构设计中的几点问题进行分析与阐述，希望为更多结构设计人员提供参考价值。
关键词：高层建筑； 结构设计； 要点
随着我国社会经济的不断发展，对建筑功能的多样化需求越来越高。再加上城市人口的不断增多、建筑用地日益紧张，高层建筑发展加快。随着结构设计新规范的提出，结构设计人员在工作中经常会遇到新问题，需不断探索与实践。
选择恰当的基础方案与结构方案
一方面，建筑的基础设计应充分考虑地质条件，对高层建筑的上部结构类型、负荷分布、施工条件以及对相邻建筑的影响等因素综合分析，并从中获得恰当的基础方案。在设计过程中，尽量发挥地基潜力，并做好地基的变形验算工作。在基础结构设计中，应出具详细的地质勘察报告，如果没有地质报告的建筑，应做好现场观察，并参考类似的建筑资料。一般情况下，同一个结构单元不能采用不同的类型。另一方面，一个合理化的结构设计，必须配备经济合理的结构方案，其中包括结构体系与结构形式等。结构体系中明确受力与传力情况，而地震区则遵循平面与竖向原则。总之，基础方案与结构方案作为高层建筑设计的重要内容，必须综合分析工程的各项设计要求、地理环境、材料供应以及施工条件等因素，做好电工、水暖、建筑等各专业的协调，并在此基础上完善结构选型，最终确定结构方案。
高层建筑结构的受力分析
对于高层建筑的最初设计方案，设计人员应充分考虑空间组合特点，而不是直接确定具体结构。建筑物的地面对整个建筑物空间的竖向与水平稳定性至关重要。由于高层建筑物主要由大且重的构件组成，结构设计需将自身重量传递到地面。由于结构的负载力始终向下作用在地表面，而高层建筑结构设计的基本要求就是明确建筑的向下作用力和地基承载力的关系。因此，在开始设计高层建筑结构方案时，必须对建筑的主要承重墙、承重柱的数量及分布进行总体规划。在高层建筑中，应确保竖向与水平的结构体系设计符合相同原理，但是随着建筑高度的增加，竖向结构体系变成设计的主要控制因素，主要由于：一是较大的垂直负载力对较大的桩体、墙体、井筒等提出了更高要求；二是高层建筑的侧向力产生了更多的倾覆力矩及剪切变形。与竖向负载力相比，侧向负载对高层建筑物的反映并不是以线性增加，而是随着建筑层数的增高而加大。因此，在高层建筑中，除了基本的抗剪力之外，还要考虑到抵抗变形和整体抗弯因素，同时认识到高层建筑的结构受力情况与低层建筑有所差异，在设计中区别对待。
提高建筑结构的关键部位延性
为了提高高层建筑的抗倒塌能力，应注重提高建筑构件的延性。但是在实际高层建筑工程中，很难完全确保延性的提升。当前最经济可行的方法就是提供建筑中关键构件的延性。在建筑的竖向结构中，如果高层建筑的底盘大，则应提高主楼和裙房顶面的衔接，以提升楼层构件延性；如果高层建筑的体形简单、刚度均匀分布，那么可重点加强建筑底层构件的延性；对于不规则的立面建筑，注重提高体形突变处的楼层构件延性。在结构的平面结构中，应注重提高建筑平面突出、转交位置，以及复杂平面的翼向连接处延性；对建筑的偏心结构来说，对于建筑拥有多道抗震防线的抗侧力构件，则要做好第一道抗震防线构件的延性处理，同时注重加强建筑周围，尤其在刚度较弱位置的构件延性。
位移的限值问题
在高层建筑结构设计的计算结果中，侧移是重要的衡量指标，可直接反映建筑结构的整体刚度，根据侧移的情况来看，可判断结构刚度的大小。结构刚度的过大或者过小，都需要设计人员重新考虑结构的选型。对于高层建筑来说，其顶点位移的限值不仅决定了数值大小，同时也与振动频率相关。一般情况下，人对建筑的振动频率大小较敏感，但是对振动幅度却很难感应到。因此，只要保证结构的摆动频率不影响人们的舒适度即可；同时应注意避免由于结构的变形过大而产生损坏，采取适当的位移，限值应保持在规定标准范围内，特殊情况下适当放松指标。
另外，由于计算方法、计算程序的不同，如果同一个结构采取不同的程序计算，那么层间位移的数值也会有所区别。其中主要原因可能是采用的软件差别，不同的软件对高层建筑的“层间位移”概念定义不同，有些是指楼层发生转动后的最大角点位移；有些是指建筑的型心位移；对于规则性的建筑来说，角点位移能更准确地反映出结构楼层位移状况，这也是结构设计人员应加强注意的问题。
计算简图和计算结果分析
一方面，高层建筑结构计算主要建立在简图计算的基础上。如果简图计算的不合理，则可能给结构安全造成威胁。因此，选择恰当的计算简图，是确保高层建筑结构安全的重要因素之一。计算简图需通过结构保障，计算简图的误差应控制在一定范围内；另一方面，加强对计算结果的科学分析。在当前高层建筑结构设计中，已经普遍应用计算机技术，但是相关计算软件还有待开发，不同软件会造成计算结果的差异。因此，设计人员在计算中还应发挥主导作用，全面掌握各种技术条件。在利用计算机进行辅助设计时，如果发现某一程序与结构的实际情况不相符，或者出现数据输入错误等问题，就需要设计人员及时分析并校核，作出合理判断，解决存在的问题，尽量减少误差。
高层建筑的抗震分析
在我国高层建筑的抗震分析与设计中，通常考三方面问题的影响作用：一是建筑物的高度问题，尤其对超高限建筑物，更要抱有谨慎态度；二是材料的选择与结构体系问题；三是轴压比和短柱的问题，往往为了控制高层建筑的轴压比，造成柱的截面过大，而此时柱的纵向钢筋确实构造配筋，影响了建筑的抗震力。
可见，高层建筑物除了承受基本的垂直荷载力之外，更重要的是承担侧向风荷载力与地震冲击力。实际上，高层建筑的结构抗侧力，随着楼层的不断增加而产生变化，所以在建筑的各层之间，极易出现薄弱层面，也就是侧面变形和应力的集中处，需要在结构设计中加强注意。在高层建筑的结构设计中，应尽量避免相邻层之间的刚度偏心距变化。例如，以我国当前的建筑抗震设计规范来看，对建筑物的抗震提出了三大标准、两阶段的设计方法。其中，第一阶段的设计，参考第一标准的地震参数，计算出高层建筑结构在弹性作用下，产生的地震效应和构件截面大小；第二阶段的设计，参考第三标准的地震参数，核算建筑结构的薄弱层，或者算薄弱层面的侧向位移与转觉
角，确保设计值小于规定值。
由上可见，随着我国社会经济生活的不断发展，高层建筑的发展也日新月异。因此，结构设计人员应不断学习并提高自身素质，充分掌握力学知识、力学规律及结构受力的变形规律等，并注重吸收其他建筑的震害教训与经验，加强对结构实验成果的深入研究，与工程实践相结合，精心做好出理念先进、技术先进、经济合理及安全可靠的高层建筑结构设计工作。
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