小议高层建筑结构设计的常见问题

谭志平

摘要：随着社会经济的迅速发展和建筑功能的多样化，城市人口的不断增多及建设用地日趋紧张和城市规划的需要，促使高层建筑得以快速发展。特别是各种结构设计新规范陆续实施以来，结构设计者在工作中经常会碰到一些问题。本文就高层建筑结构设计的常见问题进行探讨。

关键词：高层建筑；结构设计；常见问题

1高层建筑结构设计特点

1.1 水平作用力起决定性作用。尽管竖向荷载仍对结构产生重要影响，但是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引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比；与此同时，对高层建筑来说，竖向荷载作用可以看成是确定值，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变化的。

1.2 侧向位移成为控制指标。与多层建筑不同，结构侧向位移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，在水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大，与建筑高度的四次方成正比。另外由于高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现，导致侧向位移迅速增大，因此在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还要具有足够的抗侧移刚度使结构在水平荷载作用下产生的侧向位移被控制在限制内，否则结构会发生由于侧向位移增加而导致主体发生大裂缝甚至房屋倒塌这样的严重情况。

1.3 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，从而会对连续粱弯矩产生影响，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；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，会得出偏于不安全的结果。

1.4 结构延性是重要设计指标。相对于多层建筑而言，高层建筑结构更柔一些，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。保证结构具有足够的延伸性。

2高层建筑结构设计中常见的问题及解决措施

2.2高层结构超高。由于近年来地震灾害的发生率越来越频繁，对高层建筑工程有直接的威胁，因此在当今高层建筑结构设计过程中，应充分考虑地震因素的影响，要保证高层建筑物的高度在规定范围内，同时还要加强建筑物的防震结构设计，以往高层建筑物结构设计中最为常见也是最为严重的问题就是高度超标，另外还有与工程设计变更性较大，导致相关设计人员对超高问题不够重视，因此在施工前施工图纸的审核过程中，没有仔细地检查高度设计，从而导致施工中出现严重的施工故障，不但造成了经济损失，还延误了工期。

2.3嵌固端设置环节中的问题。由于当今的高层建筑通常情况下都具备地下室和相应的人防设备，高层建筑物中的地下室通常情况下为1-4层，其中的地下室顶板位置和人防顶板位置一般都设置相应的嵌固端结构，然而在进行高层建筑实际设计过程中，设计工程师和相应的设计人员都没有对嵌固端的设置位置选择予以高度的重视，另外对于嵌固端设置需要高度关注的方面往往被设计工程师等设计人员所忽视，从而为设计后期带来了大量不必要修改的麻烦，同时给工程项目施工过程中，直接影响了安全施工和正常生产。

2.4高层结构设计的规则性方面。高层建筑的设计环节中应严格按照国家新颁布的高层建筑规范，由于新颁布的规范与原来的相关规范有很大的出入，另外还由于新规范在旧规范的基础上又添加了很多限制性法规，因此，要保证高层建筑物的设计工作满足当今高层建筑施工的需要，就必须遵守现行的规范要求。现行的规范新添加的限制性要求主要包括：平面规则信息要求、嵌固端上下强度比例要求等多环节的要求。除此之外，现行的高层建筑设计规范还明確的要求了建筑结构设计要具备一定的规范性，并坚决杜绝使用规则性地的设计方案，因此设计工程师和相关设计人员要在设计之前对新规范有所了解，并严格按照相关要求来进行高层建筑群房结构设计，保证结构设计的规范性符合标准要求，避免因结构设计不规范所导致的设计为后期的审核工作带来的不便。

3高层建筑的结构设计注意事项

3.1协调合理的平面以及竖向布置。在高层建筑结构布置过程中，平面布置简单规则，尽可能的对称，使结构的刚度与质量中心重合，平面的长度不宜过长，突出部分应当适当的减小，平面凹角部分必须有加强设计。对于竖向布置，应尽可能的做到结构刚度的连贯性，避免侧向刚度与承载力的突变造成薄弱层。由于高层建筑的结构上部通常为截面缩小的突出构造，容易造成刚度突变应当采取一定的设计加过措施。高层建筑物的高宽比一般控制在5-6以下，对于对抗震设防烈度等级较高的高层建筑设计，高宽比更应严格控制。

3.2高层建筑结构受力荷载计算必须准确。对于高层建筑物设计中，荷载计算主要是指竖向荷载以及水平荷载的计算。在结构设计竖向荷载计算时可以采取满布活荷载的方式计算结构内力，如果结构的竖向活荷载比较大，必须分析活荷载的不利位置单独计算。水平荷载的计算主要包括地震荷载与风荷载，由于水平荷载对高层建筑物产生的倾覆力矩及其长产生的竖向轴力与高度的平方成正比，而且由于高层建筑的水平荷载例如风荷载等的具有随机性，其荷载大小随结构特性的不同变化程度较大，因此在设计参数选取时必须综合分析。

3.3严格控制各项设计指标。高层建筑设计需要综合考虑分析的设计指标主要包括侧移变形与位移比、结构延性以及剪重比与单位面积重度。由于高层建筑物较高，水平荷载作用下的侧移变形较大，必须对侧移变形严格控制。位移比对于评价结构平面是否规则具有重要的作用，根据相关规范说明，对于偶然偏心影响的地震作用下，A、级高层建筑位移比需要小于1.5，B、级高层建筑物位移比需要小于1.4。对结构延性的控制，则主要是应对地震等灾害发生时，为了提高高层建筑物塑性变形时期的变形能力，以避免倒塌破坏的发生。剪重比主要是体现高层建筑结构对地震反应程度的指标，单位面积重度则是分析结构构件截面设计是否合理，同时也是高层建筑荷载计算的参数之一，高层建筑物的单位面积重度一般控制在15kN/ m2左右。

3.4合理的基础形式及埋深设计。高层建筑物的基础形式需要结合建筑物的规模以及地质条件确定，而且需要确保足够的埋置深度。高层建筑大多采用桩基础，桩基础又分为桩柱基础、桩梁基础、桩墙基础、桩筏基础以及桩箱基础。高层建筑形状规则而且高度不是较高的情况下通常采用小群桩的桩柱基础以及桩梁基础，对于形状不规则而且地基条件相对较差时，一般采用桩筏或桩箱基础。对于桩基础设计，必须合理的选择持力层以及桩长设计，同时确保桩基满足水平荷载的要求。

4结语

高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。所以，设计人员要严格按照规范的规定进行设计。只有精益求精、对自己设计的每一项工程负责，不断学习、汲取前人的经验和教训，才能真正地做好结构设计。

参考文献：

[1]王平.房屋建筑结构设计中常见问题分析[J]技术研发.2010，（6）：20-21

[2]中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部.多层及高层建筑结构空间分析程序TBSA[M]北京：中国建筑科学研究院，2010.