高层建筑结构设计探讨

王维宏　付建荣

摘要 ：大时代的来临，可体现为一座座拔地而起的高楼大厦。正因为如此，作为一名建筑设计者，充分体会到新时代所带来的压力。所以，笔者认为高层建筑的结构设计对高层建筑的要求不单单只是具有足够的安全性就行的，还应该要保证其结构的经济性、合理性。这才符合新时代发展的要求。？

关键词 ：高层建筑 结构设计 设计探讨

1. 建筑结构设计的概念

建筑结构设计可简单理解为建筑设计师用基础，墙，柱，梁，板，楼梯，大样细部等结构元素来构成建筑物的结构体系，包括竖向和水平的承重及抗力体系。把各种情况产生的荷载以最简洁的方式传递至基础。

2. 建筑结构设计的特点

高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有；

2.1 水平力是设计主要因素

在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；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，会得出偏于不安垒的结果。

2.5 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。

3 .根据上述所讲的建筑结构设计特点，来制定建筑结构设计计算步骤？

3.1 计算开始以前参数的正确设定？

3.1.1 最大地震力作用方向是指地震沿着不同方向作用，结构地震反映的大小也各不相同，那么必然存在某各角度使得结构地震反应值最大的最不利地震作用方向。设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算书中输出，设计人员如发现该角度绝对值大于15度时，应将该数值回填（代入设计参数中）到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算，以体现最不利地震作用方向的影响。

3.1.2 结构基本周期是计算风荷载的重要指标。设计人员如果不能事先知道其准确值，可先按经验公式：T1=0.25+0.35×10-3H2/3√B计算代入软件，亦可以保留软件的缺省值，待计算后从计算书中读取其值，填入软件的“结构基本周期”选项，重新计算即可。

3.2 确定整体结构的科学性和合理性？

3.2.1 刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它是控制结构整体稳定性的重要因素，也是影响重力二阶效的主要参数。该值如果不满足要求，则可能引起结构失稳倒塌，应当引起设计人员的足够重视。

3.2.2 刚度比和层间受剪承载力之比是控制结构竖向不规则的重要指标。①剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定；②剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构；③地震力与层间位移比是执行《抗震规范》第3.4.2条和《高规》4.3.5条的相关规定，通常绝大多数工程都可以用此法计算刚度比，这也是软件的缺省方式。

3.2.3 位移比（层间位移比）是控制结构平面不规则性的重要指标。其限值在《建筑抗震设计规范》和《高规》中均有明确的规定，不再赘述。需要指出的是，新规范中规定的位移比限值是按刚性板假定作出的，如果在结构模型中设定了弹性板，则必须在软件参数设置时选择“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”，以便计算出正确的位移比。在位移比满足要求后，再去掉“对所有楼层强制采用刚性楼板假定的选择，以弹性楼板设定进行后续配筋计算。

此外，位移比的大小是判断结构是否规则的重要依据，对选择偶然偏心，单向地震，双向地震下的位移比，设计人员应正确选用。

3.2.4 剪重比是抗震设计中非常重要的参数。规范之所以规定剪重比，主要是因为长期作用下，地震影响系数下降较快，由此计算出来的水平地震作用下的结构效应可能太小。而对于长周期结构，地震动态作用下的地面加速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用，若剪重比小于0.02，结构刚度虽然满足水平位移限制要求（框架结构层间位移角≤1/550），但往往不能满足结构的整体稳定條件。所以设计人员应在设计过程中综合考虑刚重比与剪重比的合理取值。

3.2.5 除以上计算分析以外，如最小地震剪力调整、特殊结构地震作用下内力调整、0.2Q0调整、强柱弱梁与强剪弱弯调整等等，这些就不再一一阐述了。

3.3 梁、柱、剪力墙轴压比计算，构件截面优化设计等

3.3.1 软件对混凝土梁计算显示超筋信息有以下情况：①当梁的弯矩设计值M大于梁的极限承载弯矩Mu时，提示超筋；②规范对混凝土受压区高度限制：

四级框架及非抗震框架：ξ≤ξb；

二、三级框架：ξ≤0.35（ 计算时取AS =0.3 AS）；

一级框架：ξ≤0.25（ 计算时取AS =0.5 AS）。

当ξ不满足以上要求时，程序提示超筋；③《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5%，当大于此值时，提示超筋；④混凝土梁斜截面计算要满足最小截面的要求，如不满足则提示超筋。出现以上超筋信息时，设计人员可采用下列方法做以下调整：一是增大梁截面，提高混凝土强度等级。二是增大对双筋梁受压区钢筋面积，受拉区钢筋面积不变，使梁受压区高度减小，从而使ξ减小。

3.3.2 柱轴压比计算：柱轴压比的计算在《高规》和《抗震规范》中的规定并不完全一样，《抗震规范》第6.3.7条规定，计算轴压比的柱轴力设计值既包括地震组合，也包括非地震组合，而《高规》第6.4.2条规定，计算轴压比的柱轴力设计值仅考虑地震作用组合下的柱轴力。软件在计算柱轴压比时，当工程考虑地震作用，程序仅取地震作用组合下的的柱轴力设计值计算；当该工程不考虑地震作用时，程序才取非地震作用组合下的柱轴力设计值计算。因此设计人员会发现，对于同一个工程，计算地震力和不计算地震力其柱轴压比结果会不一样。

3.3.3 剪力墙轴压比计算：为了控制在地震力作用下结构的延性，新的《高规》和《抗震规范》对剪力墙均提出了轴压比的计算要求。需要指出的是，软件在计算断指剪力墙轴压比时，是按单向计算的，这与《高规》中规定的短肢剪力墙轴压比按双向计算有所不同，设计人员可以酌情考虑。

3.3.4 构件截面优化设计：计算结构不超筋，并不表示构件初始设置的截面和形状合理，设计人员还应进行构件优化设计，使构件在保证受力要求的德条件下截面的大小和形状合理，并节省材料。但需要注意的是，在进行截面优化设计时，应以保证整体结构合理性为前提，因为构件截面的大小直接影响到结构的刚度，从而对整体结构的周期、位移、地震力等一系列参数产生影响，不可盲目减小构件截面尺寸，使结构整体安全性降低。

4. 结束语

综上所述，结构设计是个系统、全面的工作。设计人员要从一个个基本的构件算起，做到知其所以然。在工作中应事无巨细，善于反思和总结工作中的经验和教训。

参考文献：

[1]于险峰.高层建筑结构设计特点及其體系[J].建筑技术，2009（24）.

[2]叶倩.异形柱和短肢剪力墙体系的结构设计[D].合肥工业大学，2006.