关于高层建筑结构设计关键性问题的探讨

彭 宁

（上海三益建筑设计有限公司， 上海 200050）

高层建筑的房屋高度和结构体系的发展是和科学技术、经济、材料科学的发展密切相关的，随着城市形象和土地使用要求以及我国对高层建筑关键性技术的控制能力，高层建筑已十分常见，使得高层建筑的结构设计问题逐渐引起人们的重视。随着建筑行业的高速发展，高层建筑逐渐成为现代建筑的主角，人们在高层建筑设计方面需要作出巨大的思考和突破，研究高层建筑在结构设计方面存在的问题，并将问题尽快解决是关键。高层建筑结构设计就变得尤为重要，因为其直接影响着高层建筑物的质量、使用和经济性问题。

1 高层建筑结构设计的特点

高层建筑与低层、多层建筑在进行结构设计时即有共同点，也是有区别的。无论高层还是多层就是都要抵抗由恒、活荷载产生的竖向作用及风、地震荷载产生的水平作用，有时也需要抵抗基础不均匀沉降、温度荷载等产生的内力；但是当把建筑看作是嵌固在地面的刚度和质量均有的悬臂梁模型分析时，可以发现轴力与建筑高度为一次方关系， 弯矩与建筑高度是二次方关系，主要控制指标结构水平位移与建筑高度却成四次方关系；另外从用钢量和建筑高度的关系看，用钢量在竖向荷载作用下与建筑高度基本为线性关系，但水平荷载作用下，用钢量的增加速度往往超过建筑高度的增加速度，是非线性的， 所以低、多层建筑主要抵抗竖向荷载作用，但随着建筑高度的增加，高层建筑、超高层建筑水平荷载比竖向荷载对结构的影响更明显，也成为主要控制因素，这是高层建筑最显著的特点。

2 高层建筑荷载及作用分析及探讨

2.1 竖向荷载的分析及探讨

根据高层建筑结构设计的特点分析，高层建筑竖向荷载不是主要控制因素，但一方面为了能够提供足够抵抗水平荷载作用的抗侧刚度，另一方面层数增加，相应楼面恒荷载也增加，竖向抗侧构件柱、墙等要承担的楼面恒荷载的比例往往达到所承担荷载的25%左右，构件尺寸比较大，自重所占的比例也增加，所以对楼面恒荷载的优化是有必要的。可以通过采取高强度钢筋、钢材和混凝土等材料、轻质填充墙、采用抗震性能更好而自重更轻的钢结构或混合结构体系等方法降低自重的影响，这样对减少地震作用也是非常有利的。

2.2 水平荷载的分析及探讨

风荷载是高层建筑结构设计中主要考虑的水平荷载之一，它同地震作用一样，虽然是动力荷载，但从对风荷载研究的局限性、经济性和结构设计的操作性等因素考虑，目前规范都是将风荷载简化为静力等效荷载进行考虑，对于一般高层建筑，结构设计在承载能力极限状态和正常使用极限状态下满足此种等效是可靠的，但对于一些高柔结构，当风速达到一定临界值时会产生气流涡旋脱落现象，对建筑产生横向风阵造成涡激振动，对结构设计及使用是极为不利的，所以需要在建筑方案前期通过平滑建筑平面（如倒角、切角）、沿高度改变建筑形状等方式减少横向风阵荷载。另外在进行风荷载设计时，还需要注意建筑表面局部构件风压的不均匀、风压局部增大的情况。

地震作用是结构设计中另一重要水平作用，目前有拟静力法和直接动力法两种分析设计方法。拟静力法用于多数低、多层建筑和比较规则的高层建筑，但对于复杂、重要、特别不规则的建筑需要采取直接动力法进行进行补充分析。根据对高层建筑自振周期的统计表明，高层建筑的自振周期多数在3.0S～5.0S 之间，由《高层建筑混凝土结构技术规程》中地震影响系数曲线可知，均处于速度控制段和位移控制段，随着结构自振周期的增加，其水平地震作用随之减小。故对于高层建筑结构设计而言，在满足结构正常使用对舒适性要求的前提下，可适当增加第一自振周期，降低结构刚度，对减少地震作用是有利的，也是经济合理的。

3 高层建筑结构设计的关键性问题探讨

3.1 高层建筑的超高引起的建筑高宽比问题探讨

随着我国建筑物高度的不断增加，高度超限问题是目前高层建筑结构设计中普遍存在的问题，通常高层建筑由于建筑场地及建筑功能的限制，建筑平面尺寸一般不大，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.3.2 条对建筑的高宽比限值进行了规定，这就使得建筑的高度和宽度的比成为高层结构设计中必须考虑的重要指标和控制性因素。主要控制指标建筑位移与建筑宽度的三次方成反比，与建筑高度的四次方成正比，底部倾覆力矩是建筑高度的二次方，所以增加建筑宽度，减少建筑高度，控制高宽比对高层建筑结构设计的经济性的提高是非常有利的。当建筑高宽比无法改变的情况下，当高宽比不大于2 时，此时结构为剪切变形，此时建议增加剪力墙抗侧构件的作用；当高宽比为2～5 时，此时结构为弯剪变形，此时建议平衡框架和剪力墙之间的比例，适当加大外围框架的作用；当高宽比大于5 时，结构为弯曲变形，此时需要增加外围框架的刚度，通过外围框架剪切变形来协调剪力墙弯曲变形顶部位移大所带来的影响。

3.2 高层建筑的筒体高宽比及筒体面积比的问题探讨

高层建筑结构体系通常为框架-核心筒结构体系或支撑框筒结构体系，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第9.2.1 条，提出禾行通的宽度不宜小于筒体高度的1/12，对于常规的框架-核心筒结构，大部分剪力和地震倾覆力矩由核心筒成大，所以核心筒宽度的选择是非常重要的。

另外根据大量高层建筑结构设计分析表明，当筒体面积不大于楼板面积的20%时，表明筒体抗侧刚度偏弱，需要加强外围框架的作用；当此比值为20%～27%之间时，表明筒体的抗侧刚度是比较合理的；当此比值大于27%时，表明筒体过刚，此时筒体所承担的倾覆力矩和地震剪力比例过大，需要加强核心筒的性能化分析，加强除核心筒之外的抗侧构件的抗侧作用，从而做到二道防线的结构概念设计。

3.3 解决高层建筑抗侧刚度不足的问题探讨

随着建筑高度的增加，结构抗侧刚度与结构各项控制指标和经济性更加密切相关。通常高层建筑为框架—核心筒结构体系，此结构体系外围框架抗侧刚度比较弱，抗侧刚度不足，而核心筒还需要承担较大的剪力和倾覆力矩，筒体负担过重，如何才能增强筒体与外框筒之间共同作用，增加增加结构整体的抗弯刚度是必须探讨的问题。在外围框架柱间距无法减小，外围框架梁无法增大的情况下，当结构抗侧刚度相差较多时，在高层建筑结构设计中通常采取伸臂桁架来增加结构抗侧刚度是一种有效的解决方式，但也有经济性差，对建筑功能影响较大的缺陷。当结构抗侧刚度相差不多时，建议采取环带桁架进行解决，这样环带桁架同楼层板共同形成虚拟伸臂桁架，起到一定伸臂桁架的作用，但环带桁架仅在局部楼层外框架间设置，对建筑功能影响较小，经济性也比较合理。

3.4 高层建筑的基础设计问题

在进行高层建筑设计中，最基础、最关键的设计就是基础设计问题，这是因为高层建筑物所受到的各种各样的荷载都需要通过基础后再传至到地基，即基础起到一个“承上启下”的作用。高层建筑的特点是层数较多，上部载荷较为集中并且较大，因此基础必须埋置足够的深度，其埋置深度必须要满足于地基稳定和变形的相关要求，这样做才能提高建筑物的抗震性能，防止建筑物出现坍塌、倾斜的情况。

4 结束语

综上所述，随着经济社会的高速发展，建筑行业得到空前的发展和提高，随之而来的高层建筑的数量越来越多，其高层建筑的安全问题已经受到了大部分人的重视。然而高层建筑结构设计的合理性与建筑本身的安全和质量有着千丝万缕的关系，为此，设计人员不但要明确高层建筑的结构特点，而且还要在熟悉可能使用的结构体系类型的基础上，对设计中的一些关键环节进行分析，比如选择比较适合的抗侧力结构体系，合适的高宽比和合适的筒体面积比等，与此同时，还要加强地震荷载的计算和重力载荷的计算，这样不仅保持了结构整体的稳定性，又提高了抗震性能，因而高层建筑的整体质量和经济性得到了有效地提高。同时，在面对高层建筑结构这一关键性问题时，相关研究人员要投入大量资金，加大对高层建筑结构设计的研究，还要加强对专业技术人才的培养，从而促进我国高层建筑行业向着又好又快的方向发展。