高层建筑的结构设计特点及基础结构设计

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一、高层建筑的结构设计特点

高层建筑与其他各种建筑进行比较，结构设计应该是处于第一位的。因为其他型的建筑高度都控制在一定的范围。随着高度逐渐上升，考虑的方面也需要更加全面。不一样的建筑对建筑布局、工期和造价等等多方面都会有不同的要求。接下来对其进行探讨。

（一）高层建筑的水平荷载成为设计重点

如今社会上的任何一座建筑，不管它的高度多高，都能同时承受重力所代表的竖向荷载和风所产生的水平荷载，并具有抗震能力。在低层建筑或多层建筑中，由于高度相比来说较低，竖向荷载是需要着重考虑的。荷载在水平方向的内力相对位移较小，没有对整个建筑的结构设计造成太大影响。通常建筑设计只要满足垂直方向的荷载的需求，建筑的安全也就没有什么问题。拿高层建筑来说，虽然竖向荷载的影响较小，但是随着海拔高度不断上升，水平荷载占有的优势则愈加凸显，也就说所占据的比例越多。整个建筑物的承受重力以及垂直结构在主体或构件上的各个楼面所使用的荷载所产生的轴向力和扭矩，与整个建筑物的高度成正比，水平面上的荷载对整个建筑结构的横向倾覆效应和垂直竖向结构所产生的轴力和扭矩对整个高层建筑物的高度平方成正比。另一方面，水平风力所造成的荷载和地震运动所造成的荷载也可能伴随着结构的动力学特性而发生相对较大的改变。

（二）轴向变形

轴向变形表现出了除去高层和多层等建筑外，低层和多级建筑的主体结构仅仅是用去考虑弯矩值这一项的数值，因为主体轴力的大小对整个建筑没有过多的影响，不用多加考虑。此外，剪切项的取值更小，也都不予以计入。然而，高层建筑与它们并不是完全相同，因为轴力值会随着楼高的升高而急剧上升，轴力的变形随着建筑高度的升高变化越来越大，而且轴力值的改变对内力值和分布也有着很大的改变。对于框架结构体系和框架——剪力墙结构体系的高层建筑，结构框架里得中柱的轴压通常是最大的，大于边柱的轴压力，而且中柱的轴压变形和轴压应力也会大于边柱的各种数据。当建筑物高度持续上升，轴向变形间隙将逐渐增大，连续梁中间支座的下降，使它中间支座处的负弯矩得到减少，端部支座负弯矩和跨中正弯矩得到增加。

（三）侧向位移

高层建筑相比于其他建筑来说，设计中的关键控制指标是结构的侧向位移。伴随着建筑高度的逐渐升高，水平方向产生的力引起的建筑结构侧向变形程度也迅速加深。而且，高层建筑总体积的不断扩大，建筑材料的选材也就更加的严格，要求也越来越高。对高层建筑进行设计结构时，不光只在意建筑的强度，还要考虑水平风所带来的荷载；而且，还要满足推力刚度，保证结构在水平力作用下产生的侧向位移能很好地控制在一定范围内，以保证人们能够正常生活和工作。

（四）抗震设计

抗震设防在建筑设计中应常设。要考虑使用时的竖向荷载，还需要有良好的抗震能力，做好居民人身安全以及建筑稳定性。

二、减震和隔震措施

减震隔震是高层建筑基础结构设计中重中之重，这些直接影响着高层建筑的安全可靠性。“减震措施”是意思是指借助建筑物的非预期部位增加阻尼，从而在地震传递过程中逐渐消耗地震能量，从而避免地震对高层建筑的危害，确保高层建筑可以安全运行，保障安全。在设置减震消能构件时，往往选择变形较大的部位。这样才可以确保减震措施最大限度地发挥效率，从而保证高层建筑的可靠性与安全性。同时，在高层建筑施工完成之前就要做好减震措施应用，并且应有效利用建筑的外部环境，进行环境优化等方面，从而有效地增加高层建筑主轴方向的阻尼和刚度，这样可以大大提高地震能量的折减效果。另外，隔离措施在高层建筑基础设计中的应用具有多种特点，如基础隔震和特殊材料的基础隔震，这是一些常见的隔离措施。其中，采用特殊材料的基础隔震措施主要采用粘土、砂和沥青特种材料实现高层建筑的基础隔震，这些措施在高层建筑基础结构设计中被广泛应用于。

三、高层建筑基础设计分析

（一）上部结构刚度

大部分情况，如果地基有一定的形状上的改变，上部结构的刚度对于基础受力情况也会有所影响。简单的说，当地基已经开始变化了的话，当上部结构仍然保持绝对刚性的条件时候，每个竖向结构件将有机会出现均匀地倾斜或者下沉。基础梁的横断面和不动铰链支座在对于构件的端部而言忽视了抵抗转移的能力时，它们可以用一个竖向的构件支座来充当，即基础梁和倒立式连续梁类似，外部的荷载则由基座分布的反力来承担。通常上部结构刚度会出现一个局部的弯曲，但是不会出现一个整体的弯曲。而且相反来说，如果上部柔度太大，则没有必要影响到基础的柔韧性和变形。因此，如果一个建筑物的基本梁在某种程度上已经发生了弯曲，则这个建筑物的整体就可能出现很大的弯曲。由此看来，两种场合都已经表明，基础桥梁中外力的大小与其分布方式都会存在较大的差别。但是，在实际施工中，结构设计的应用状况将始终介于这二者之间。考虑到一个整体的刚度也并不轻松，刚度的设计与分析仅仅是借助于一个软件来实施。在任何荷载、基础和其他基础工程条件下都保持一定的稳态性，上部结构的刚度会导致基础的内力和相对挠度下降，上部结构的内力会因为其而增大。因此，次应力本身虽然是不能被忽视的，但它们虽然可以降低地基的内力，但并没有直接对上部建筑物的刚度产生影响。

（二）基础刚度的影响

为了尽量减少上部刚度对结构的影响，基础应该是绝对柔性的，才能完全忽略刚度。荷载q(x，y)方向与其相反且作用力分布 p(x，y)方向相反且作用力等于。在均匀负重荷载的情况下，地基将采取盆形沉降方式开始下沉;要使地基能够均匀进行沉降，让两端荷载逐步减少到中间，呈现不均衡的状态才是最佳方法。在确定地基的基础结构是绝对刚性的前提下，地基能够承受荷载和其他物体传递的“架越作用”，使得地基能够均匀进行沉降，相应的作用力将会形成严重的分布。由于塑性体区最初是出现在一个边缘区域，反作用力将其减小，转移到中间，并逐步形成一个马鞍状的分布。通过研究和实验发现，可以得出土体基础反应的大小与变形特征、荷载大小及其分布位置、地基的埋深以及土的种类有所关系。

（三）地基条件对基础受力状况的影响

地基土的分布和压缩性会对地基的应力会有相应的影响。当地基土自身压缩性相对比较小的售后，它上部的稳定能力比较好，但在实际的时候，地基土的压缩性并没有预想中的那么小，压缩性不均匀分布，所以地基弯矩有着很大的差别。地基与基础界面之间的摩擦是时刻发生的，但出土的抗剪强度通常比这种摩擦大。还有，孔隙水压力会影响摩擦力的分布和大小，因此在计算界面摩擦力时需要综合考虑，并要严密计算 。

四、影响高层建筑结构基础设计的因素

（一）地质条件

影响结构基础设计的主要因素是地质条件。地基设计承载力中，地质条件是最为重要的。在地质条件下，地基承载层和穿过土层的桩基是最要关注的，因为它们对结果的影响很大。设计的时候应对这两个方面进行多加考虑。地基承载层与相连接的土层承担高层建筑的主要荷载。所以，在高层建筑基础设计过程中，应充分考虑承土层的特性、承载力等方面。另外，对于桩基穿越土层的情况，在地基设计过程中，应充分考虑地下水在地下的分布特性；在高层建筑结构设计中，要时刻保证科学与合理性。

（二）施工环境

在高层建筑结构设计中，基础设计也受施工环境影响。施工环境会受到几个方面影响，一个是自然方面，第二个是人工方面。自然方面，环境温度和地震等级需着重考虑，因为钢筋混凝土在建筑方面是作为最基本的原料。温度应适当，施工的质量跟温度也有直接的关系，过高过低都有影响。人工方面，有以下影响因素：施工过程对地基的处理不当；当桩基础埋入土壤后，会对周围土层有不利影响。因此，应综合考虑施工环境问题，科学合理的安排。

五、存在的问题

由于高层建筑的基本设计是整个建筑设计中最为核心的内容，所以我们应该在此问题中着重进行处理。与其他建筑相互做下比较，高层建筑结构的基础所需要承受的不仅是上部建筑竖向压应力，同时也需要承受在水平面方向上的位移和倾覆压应力。对于高层建筑物所有这些需要是否可以通过提高建筑物地基的埋深来得到成果。对于深埋的这个方面，我国法规中有着严格明文规定。在进行建筑物主体结构的基础设计时，企业应该严格按照规定进行设计。

六、对高层建筑结构基础设计的建议

对高层建筑主体结构地基进行设计，我们在对高层建筑主体结构进行设计时候，基础设计则被认为是整个建筑结构设计中最为关键的部分之一，在具体设计的过程中，应该是依靠一个整体的建筑去对其进行设计，并且应该是充分考虑到地基的结构和上部之间的相互影响，通过不同的假设综合考虑，得到了地基结构设计的过程中相关影响因素，接下来采用科学合理的有效措施，这也让高层建筑基础设计进一步得到了提高，整个设计工程过程中的误差从多方面上得到降低，增加了建筑的主体性的提升。在高层建筑基础设计的具体实施过程中，基于结构动力学和弹性的设计需要更好地全面的设计，结构基础的柔韧性和刚度也要格外注意，从而减少沉降，提高高层建筑基础的稳定性和可靠性。这样可以获得更好的设计效果。

七、结束语

我们在进行高层建筑的结构设计时，保证结构设计的科学合理性事关重要，这也就是如何保证高层建筑工程质量的重点。因此，努力提升结构设计工作者的技术水平和整体实力迫在眉睫，使其能够有效地充分利用上部结构的刚度与地基条件，选择合理的建筑工程基础形态，并与工程实施中的各方紧密配合，使行业健康发展，保障居民的人身安全。