浅谈高层建筑结构设计
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摘要：作为高层建筑结构设计, 其方案首先应满足有关规范、规程的要求, 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。随着人们对建筑功能要求的多样化，建筑类型和功能愈来愈复杂，结构体系日趋多样化，出现了各种形式的多塔、错层、带转换层、楼板局部开大洞的结构类型，其中立面布置也越来越复杂。下面就本人在这几年的设计实践中的一些体会进行总结,结合实践经验提出建议。
关键词：高层建筑；结构设计；结构体系；概念设计；剪力墙设计
1高层建筑结构设计特点
1．1 水平荷载成为决定因素
一方面，因为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，仅与楼房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的变化。
1．2轴向变形不容忽视
高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；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。
1．3 侧移成为控制指标
与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
1．4 结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使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。
1．5 结构的整体性
高层建筑结构中，楼盖对于结构的整体性起到很大的作用。楼盖体系最重要的作用是提供足够的平面内的刚度和抗力，并与竖向各子结构有效连接，当空旷结构、平面狭长、平面凹凸不规则、楼盖开大洞时，更应特别注意。
高层建筑基础的整体性及基础与上部结构的可靠连接是结构整体性的重要保证。设计时应综合考虑。
2高层建筑结构体系分析
2.1 高层建筑结构的体系主要有：框架结构、剪力墙结构、框支-剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构、框架-核心筒结构、复杂高层结构，包括加强层、错层结构、连体结构、多塔结构等；以及混合结构、钢结构等；
现在流行的高层住宅多以剪力墙结构为主，剪力墙结构的特点是整体性好，水平力作用下侧移小，侧向刚度大，承受竖向和水平向的荷载能力比较大，没有梁柱的外露与凹凸，便于房间的内部布置，但不能提供大空间。
2.2 剪力墙的结构布置
高层建筑应有较好的空间工作性能，剪力墙结构应双向布置，形成空间结构。避免单向布置剪力墙，并使两个方向刚度接近；剪力墙的抗侧刚度和承载力较大，充分利用剪力墙的能力，减轻结构自重，增加可利用的面积，墙不宜布置太密。
剪力墙结构为避免脆性的剪切破坏，使剪力墙具有一定的延性，剪力墙的长度不宜过大，否则可通过开设结构洞将墙划分成长度较小、较均匀的联肢墙，使墙体的配筋能够充分发挥作用。
3概念设计的意义
概念设计是通过无数的事故分析、历年来国内外震害分析、模拟试验的定量、定性分析以及长期以来国内外的设计与使用分析归纳总结出来的，它是结构设计人员运用所掌握的知识和经验，从宏观上决定结构设计中的基本问题。要做好概念设计，主要应从以下几个方面加以认真考虑：
3. 1 结构方案要根据建筑使用功能、房屋高度、地理环境、施工技术条件和材料供应情况、有无抗震设防，选择合理的结构类型；
3. 2 分析竖向荷载、风荷载及地震作用对不同结构体系的受力特点及传递途径；
3. 3 分析结构破坏的机制和过程，以加强结构的关键部位和薄弱环节；
3. 4 承载力和刚度在平面内及沿高度方向尽量均匀分布，避免突变和应力集中，有利于防止薄弱的子结构过早破坏、倒塌，使地震作用能在各子结构之间重分布，充分发挥整个结构耗散地震能量的作用；
3. 5 预估和控制各类结构及构件塑性铰区可能出现的部位和范围；
3. 6 抗震房屋应设计成具有高延性的耗能结构，并具有多道防线；
3. 7 掌握各类结构材料的特性及其受温度变化的影响；
3. 8 注意非结构构件对主体结构抗震产生的有利和不利影响，协调布置，并保证与主体结构连接构造的可靠性。
由于高层建筑结构复杂多样，发生地震时地震作用不确定，人们对地震时结构响应的认识有很大的局限性和模糊性，加之材料性能与施工安装时的变异性以及其他不可预测的因素，致使设计计算结果和实际相差较大，甚至有些作用效应至今尚无法定量计算出来。因此，在设计中，虽然分析计算是必须的，但仅此往往不能满足结构安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标，必须重视概念设计。
4对剪力墙结构的划分设计建议
近年兴起的短肢剪力墙结构，有利于住宅建筑布置，又可近一步减轻结构自重，但短肢剪力墙抗震性能较差；因此采用短肢剪力墙宜慎重。
4.1短肢剪力墙的实用划分原则：
短肢剪力墙（8≥ h/bw ≥5）分为一字形短肢剪力墙和带翼墙（翼墙长度≥3 时）短肢剪力墙。当剪力墙截面厚度 bw≥H/15（H为层高）、 ≥300mm且 ≥2000mm的墙，可不按短肢剪力墙考虑。（广东省标准（DBJ/T 15-46-2005））。
4.2 对短肢剪力墙较多的判别
所谓“短肢剪力墙较多”没有定量的界限，但从概念上说，可以从承受竖向荷载的能力、结构底部的倾覆力矩及结构的均匀对称性三方面综合确定，当符合下列条件之一时，可判定为“短肢剪力墙较多”。
（1）短肢剪力墙的截面面积占剪力墙总截面面积50%以上；
（2）短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩达到结构总倾覆力矩的40%~50%时；
（3）短肢剪力墙承受荷载的面积较大，达到楼层面积的40%~50%以上（较高的建筑允许的面积应取更小的数量）；
（4）短肢剪力墙的布置比较集中，集中在平面的一边或建筑的周边。也就是说，当短肢剪力墙出现破坏后，楼层有可能倒塌。
上述（1）、（2）项，其本质是对结构倾覆力矩的判别，比较可以发现：当按（1）要求判别时，短肢剪力墙的倾覆力矩约为结构倾覆力矩的20%~30%，相比（2）小得多；（3）、（4）项则从短肢剪力墙承受竖向荷载的能力及结构均匀对称的角度来把握。
4.3当在剪力墙结构中设置少量的短肢剪力墙时，并不影响对原结构体系的判别，其结构仍可确定为剪力墙结构，可不采取规范对短肢剪力墙较多时相应的结构加强措施；
4.4关于少量框架的剪力墙结构
在剪力墙结构中经常会设置少量的框架，结构的主要抗侧力构件仍为剪力墙，少量框架根本起不到二道防线的作用，因此，不能将其归类为框架-剪力墙结构，在结构设计中应采用包络设计的原则，设计剪力墙时，可不考虑框架柱的抗侧作用，按纯剪力墙结构计算；对框架柱可按框架-剪力墙结构中的框架柱设计。
5剪力墙设计中的基本概念
5. 1 剪力墙高和宽尺寸较大但厚度较小，几何特征像板，受力形态接近于柱，而与柱的区别主要是其长度与厚度的比值，当比值小于或等于4时可按柱设计，当墙肢长与肢宽之比略大于4或略小于4时可视为为异形柱，按双向受压构件设计。
5.2 剪力墙结构中，墙是一平面构件，它承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力：在轴力，弯矩，剪力的复合状态下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力墙除需满足刚度强度要求外，还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求：墙肢必须能防止墙体发生脆性剪切破坏，因此注意尽量将剪力墙设计成延性弯曲型。
5.3实际工程中剪力墙分为整体墙和联肢墙：整体墙如一般房屋端的山墙、鱼骨式结构片墙及小开洞墙。整体墙受力如同竖向悬臂，当剪力墙墙肢较长时，在力作用下法向应力呈线性分布，破坏形态似偏心受压柱，配筋应尽量将竖向钢筋布置在墙肢两端；为防止剪切破坏，提高延性应将底部截面的组合设计内力适当提高或加大配筋率；为避免斜压破坏墙肢不能过小也不宜过长，以防止截面应力相差过大。
联肢墙是由连梁连接起来的剪力墙，但因一般连梁的刚度比墙肢刚度小得多，墙肢单独作用显著，连梁中部出现反弯点要注意墙肢轴压比限值。
壁式框架：当剪力墙开洞过大时形成宽梁、宽柱组成的短墙肢，构件形成两端带有刚域的变截面杆件，在内力作用下许多墙肢将出现反弯点，墙已类似框架的受力特点，因此计算和构造应按近似框架结构考虑。
综上所述，设计剪力墙时，应根据各型墙体的特点，不同的受力特征，墙体内力分布状态并结合其破坏形态，合理地考虑设计配筋和构造措施。
6结语
结构工程师应以力学概念和丰富的工程经验为基础，从结构整体和局部两个方面对计算结果的合理性作出正确判断，确认其可靠后，方可用于工程设计。高层建筑结构和剪力墙结构设计、计算是一项复杂的工作，它要求结构设计人员既要有扎实的理论功底，又要有丰富的工程经验，这样设计出来的建筑物才能达到既安全、可靠，又经济、合理。
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