浅谈高层建筑中的结构设计

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　　摘要：随着社会与经济的蓬勃发展，特别是随着城市建设的发展，高层建筑在城市中应运而生。城市中的高层建筑成为反映城市经济繁荣和社会进步的重要标志。高层建筑在造型形式不断翻新、高度记录一再被打破的同时，其内部空间构成的模式也发生了很大的变化。本文对高层建筑结构体系设计的基本要求等方面进行了阐述分析。
　　关键词：高层建筑结构体系设计
　　1建设用地概况
　　本项目规划建设用地位于揭阳市榕城区榕华大道与莲花大道之间、榕江北河道南岸、临江南路南侧，用地面积约12公顷，地块呈不规则的南北向长方形。临江南路为50m宽规划路，用地内部尚有若干条14-16m宽的网格状规划路，用地被规划道路划分成大小不等的六个独立地块，本规划以祥园、馨园、润园、可园、悦园、熙园分别命名。
　　目前项目用地东、西、南三侧均为已建成的住宅小区或旧有村屋。西侧住宅小区以多层为主配以少量高层，呈南低北高布局，现代风格；东侧住宅小区均为高层，属简化的西式古典风格；南侧既有多层住宅小区，又有部分旧有村屋，较为杂乱。
　　由于周边的住宅小区均已投入使用，故所在区域的公共服务设施及市政配套设施已基本趋于成熟，本项目只需针对自身需要进行必要的公共服务设施配套建设即可。
　　目前场地现状已基本平整，无待拆建筑，无需要就地保护的文物古迹和古树名木，市政基础设施已基本完备，地质状况正常，适宜进行本项目的开发建设。
　　2高层建筑中的结构特点分析
　　2.1轴向变形成为控制指标
　　2.1.1通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了。由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。
　　2.1.2轴向变形的影响在高层建筑结构分析中应当考虑，但是结构所受的竖向荷载并不是在结构完成之后一次施加的。特别是占竖向荷载绝大部分的结构自重是在施工过程中逐层施加的，轴向压缩变形已在施工过程中分阶段完成，并在各楼层标高处找平，实际上并不完全类似于以上分析的情况。
　　所以，在考虑轴向变形时，要考虑施工过程中分层施加竖向荷载这一因素，不能简单的按一次加载考虑，否则会出现一些不合理的计算结果，如邻近剪力墙和筒体的上层框架柱，在竖向荷载作用下出现拉力；上层框架梁出现过大弯矩和剪力等。另外，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。
　　2.2侧移成为控制指标
　　与低层建筑不同，结构侧移己成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。结构顶点侧移与建筑高度H的四次方成正比。
　　2.3水平均布荷载：
　　设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。这是因为高楼的使用功能和安全，与结构侧移的大小密切相关：
　　2.3.1使用人员的正常工作与生活。当高楼在阵风作用下发生振动的频率f为一定值时，结构振动加速度a与结构侧移幅值A成正比：a=A（2πf）。因而控制侧移幅值的大小成为保证高楼良好的居住和工作条件的关键因素。
　　2.3.2过大的侧向变形会使隔墙、围护墙以及它们的高级饰面材料出现裂缝或损坏，此外，也会使电梯因轨道变形而不能正常运行。
　　2.3.3高楼的重心位置较高，过大的侧向变形将使结构因P-△效应而产生较大的附加应力，甚至因侧移与应力的恶性循环导致建筑物倒塌。
　　3高层建筑结构设计需要控制的六个比值
　　3.1轴压比：主要为控制结构的塑性变形能力和控制结构的抗倒塌能力，规范对柱和墙肢均有相应限值要求，详见建筑抗震设计规范（GB50011-2010以下简称抗规）第6.3.6条和第6.4.5条。
　　3.2剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，详见抗规第5.2.5条。
　　3.3刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，详见抗规第3.4.2条。
　　3.4位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。详见抗规第5.5.1条。
　　3.5周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，要求详见高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002 以下简称高规）第4.3.5条。
　　3.6刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆，要求详见高规第5.4.4条。
　　4高层建筑结构设计的基本要求
　　4.1结构的规则性。
　　4.1.1不应采用严重不规则的结构体系。建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，应符合下列要求：
　　4.1.1.1应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；
　　4.1.1.2应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力；
　　4.1.1.3对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施予以加强。
　　4.1.2高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求：
　　4.1.2.1结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位，
　　4.1.2.2宜具有多道抗震防线。
　　4.2规则结构的主要特征。
　　4.2.1建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。
　　4.2.2规则结构一般指：体型（平面和立面）规则，结构平面布置均匀、对称并具有较好的抗扭刚度；结构竖向布置均匀，结构的刚度、承载力和质量分布均匀，无突变。
　　4.3规则平面布置需满足的要求。
　　4.3.1结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称，减少扭转的影响。在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，风力作用下则可适当放宽。抗震设防的高层建筑，平面形状宜简单、对称、规则，以减少震害。
　　4.3.2在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面布置。
　　4.3.3抗震设计的B级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑，其平面布置应简单、规则，减少偏心。
　　5高层建筑结构设计
　　5.1在高层建筑中，竖向荷载对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向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、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比；另一方面，对一定高度建筑来说，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，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。对一些较柔的高层建筑，风荷载是结构设计的控制因素，随着建筑物高度的增高，风荷载的影响越来越大。高层建筑中除了地震作用的水平力以外，主要的侧向荷载是风荷载，在荷载组合时往往起控制作用。因此，高层建筑在风荷载作用下的结构分析与设计引起了研究人员和工程师们的重视。
　　5.2竖向荷载设计应减轻自重。高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基的情况下，减轻房屋自重意味着不增加基础造价和处理措施的前提下，可以多建层数，这在软弱土层时有突出的经济效益。
　　5.3地震效应与建筑的重量成正比，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑重量大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，还由于重心高地震作用倾覆力矩大，对竖向构件产生很大的附加轴力，从而造成附加弯矩更大。
　　6建筑设计
　　6.1整体布局
　　在项目用地范围内设“满堂”地下室，沿各地块周边设沿街商业用房，商业用房上部及地块内部布置高层住宅，地块内部的高层住宅首层全部架空绿化。
　　6.2建筑层数
　　沿街商业用房均为2层；北侧沿江一线为36-38层的超高层住宅；其余部分为23-32层的高层住宅；地下室为2层。
　　6.3户型设计
　　本项目规划采用高品质定位，住宅单元设计以每层两户和三户的豪华单元为主，辅以少量每层四户的普通单元。
　　户型设计以三房两厅为主，辅以少量的两房两厅、三房一厅、四房两厅、五房两厅和六房两厅，做到户型多样，各有侧重，覆盖面广。
　　平面设计除最基本的注重使用功能以外，还各具特色。
　　6.4建筑造型设计
　　建筑立面采用简洁的现代风格与时尚元素相结合的设计手法，通过线条、体块、色彩的组合穿插勾勒出商住社区高雅、时尚、生态、健康的整体形象。
　　7结束语
　　高层建筑存在诸多问题，高难度，高技术，高风险都需要大量技术工作人员去解决，遇到不同的问题用不同的方法去解决。确保质量与进度，全面完成工程任务。设计者必须从当今经济现状和发展趋势出发，建立一个宏观的、合理的结构设计理念，合理确定结构设计标准、经济性措施和原则，这样不仅满足建筑设计各类需求，同时改善人类的居住环境。

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