高层建筑结构设计概述

高层建筑结构设计概述

李学良 李娜

五洲工程设计研究院 北京 100053

摘 要: 高层建筑是城市发展的需要，是结构设计中经常涉及到的内容。高层建筑相比其他类型建筑而言，其重要性高，结构多样和复杂，影响力大。在结构设计当中要考虑多方面的因素，力求做到安全、适用、经济、保证工程质量。本文就高层建筑结构设计的要点作了总结和概述。

关键词: 高层建筑 结构 设计要点

前言

高层建筑一般单体投资高，抗震安全设计问题突出，一般设计中，应遵循以下原则：首先，合理选择结构方案，结构方案要有可实行的结构形式、结构体系及经济效益。在结构体系上，同种结构单元最好选择同种结构体系，其受力要明确，传力要简单。通过工程设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析，并与建筑、电、水、暖等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时应进行多方案比较，择优选用。其次，正确的分析计算，为进行结构力学分析计算，必须将结构体系进行适当的简化，简化后的计算模型也称计算简图，适当的计算简图是结构分析的重要条件，需要有相应的构造措施来保证，计算简图的误差要在设计的规定范围之间。如果是不当的计算简图则会导致结构安全方面的问题产生，所以工程前期设计的这一点要非常注意。另外，在结构设计中普遍采用计算机技术，但是由于目前软件种类较多，参数设置不尽相同，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、条件等进行全面了解。在计算机辅助设计时，由于结构实际情况与程序不相符合，或人工输入有误，或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，因而要求结构工程师在拿到电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。最后，基础设计要注重安全和经济，一般基础部分投资占比较多，可优化的空间较大，因此有比较重视基础设计。要根据工程地质环境的参考条件、待建建筑物结构类型、周边建筑物环境分析、载荷的分布状况、合理的经济效益等资料的分析。在详细的地质勘察资料的基础上，通过进行地基变形的验算，尽可能地利用好地基。

1地基基础设计

高层建筑的地基基础设计应做到因地制宜，天然地基、复合地基、桩基的成本依次递增，设计人应根据详勘报告合理选用地基形式，既保证安全又做到经济合理。

由于高层建筑都需要一定的埋置深度，同时，地下室也是建筑使用功能所要求的，采用整体性好和刚度大的筏形基础是比较方便的，在没有特殊要求时，没必要强调采用箱形基础。当地质条件和上部结构荷载小时，也可采用交叉梁基础和独立基础+防水板的形式。地基的承载力和变形不能满足设计要求时，应采用桩基础，当土层有较大起伏时，应使用同一建筑结构下的桩端位于同一土层中并应考虑可能产生的液化影响。

预防或减少不均匀沉降的危害，可以从建筑措施、结构措施、地基和基础措施方面加以控制。应该引起重视的是: 由于高层建筑质心高、荷载重，建筑物在沉降过程中，其总重量对基础底面形心将产生新的倾覆力矩增量，倾斜可能随之增长，因此，为减少基础产生倾斜，应尽量使结构竖向荷载重心与基础底面形心相重合。变刚度调平设计是一个很好的设计理念，它主要是通过调整地基或基桩的竖向支承刚度分布，促使差异沉降减到最小，基础或承台的内力以及上部结构的次应力显著降低。变刚度主要由以下几种类型，一是采取局部增强地基变刚度，例如，对荷载集度高的区域如核心筒采取复合地基增强，其他区域采用天然地基。二是采用改变桩基刚度分布，例如，改变桩间距，改变桩长分布等使荷重大的区域变形减小，达到消除差异沉降的目的。三是主裙连体变刚度，增强主体的地基及基础刚度（如复合地基、桩基等），弱化裙房的刚度（如天然地基、疏短桩、褥垫层等）。值得注意的是，变刚度调平设计应在掌握详细的地质资料情况下进行，必要时应进行沉降实验后确定。

2 结构平面布置

平面形状宜简单、规则、对称，尽量使质心和刚心重合。偏心大的结构扭转效应大，会加大端部构件的位移，导致应力集中。过大的扭转效应会导致结构的严重破坏。平面过于狭长的建筑物，在地震时由于两端地震波输入有相位差容易产生不规则震动，产生较大的震害。对于角部重叠和细腰形的平面，在中央部分形成狭窄部分，在地震中容易产生震害，尤其在凹角部位，因为应力集中容易使楼板开裂、破坏，不宜采用。扭转是否过大，可用概念设计方法近似计算刚心、质心及偏心距后进行判断。也可以分析结构在规定水平地震力作用下的扭转位移比和结构的扭转周期比来判断。注意，扭转位移比计算是为考察抗侧力构件的布置是否与质心重合的，因此应在假定楼板平面内无限刚的情况下计算，即使楼板有较大的开洞或其他削弱，也应按刚性楼板考虑。

另外，高层建筑承受较大的风力，尤其在沿海地区，风力往往成为高层建筑的控制性荷载，采用风压较小的平面形状有利于抗风设计。对抗风有力的平面形状如圆形、正多边形、椭圆形、鼓形等平面。对抗风不利的形状如V形、Y形、H形等有较多凹凸的复杂形状。

3 结构竖向布置

结构竖向布置最基本的原则是规则、均匀。规则，主要是指体型规则，若有变化，亦应是有规则的渐变。体型沿竖向的剧变，将使地震时某些变形特别集中，常常在该楼层因过大的变形而引起倒塌。

均匀是指上下体型、刚度、承载力及质量分布均匀，以及它们的变化均匀。结构宜设计成刚度下大上小，自下而上逐渐减小。下层刚度小，将使变形集中在下部，形成薄弱层，严重的会引起建筑的全面倒塌。如果体型尺寸有变化，也应下大上小逐渐变化，不应发生过大的突变。上部楼层收进使得体型较小的情况经常发生，但是对于收进的尺寸应当限制。收进的部位越高，收进后的平面尺寸越小，高振型的影响明显加大。如果上部楼层外挑，造成“头重脚轻”的状况，将使扭转反应明显加大，竖向地震影响也明显变大。

4 楼盖体系设计

在高层建筑结构设计中，一般都假定楼板在自身平面内的刚度无限大，在水平荷载作用下，楼盖只有水平刚性位移而不变形，因此，在设计中要保证楼盖的平面内刚度。同时，楼盖得刚性也可保证建筑物的空间整体性和水平力的有效传递。例如，框架-剪力墙结构，框架和剪力墙的抗侧刚度相差较大，因而楼板的变形也更为显著，因此楼板设计中就要保证楼板的整体性。通过多次震害调查表明，装配式的预制楼板的整体性明显弱于现浇钢筋混凝土楼板，设计中应尽量避免采用。如果必须采用装配式楼板时，应加强构造措施，保证其整体性。对特殊部位的楼板，如屋盖、转换层楼板、作为上部结构嵌固端的地下室顶板、大底盘多塔结构的底盘屋面板等，应采取专门的加强措施，必要时应进行专门分析计算。

5.关于高层建筑高宽比

高层建筑的高宽比，是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济和理性的宏观控制，《高层建筑混凝土结构技术规程》对高层建筑适用的最大高宽比提出了明确要求，此要求是在统计现有高层建筑的基础上提出的一个较为经济合理的指标，理论上，结构如果满足承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度的情况下，高宽比不是必须满足的。仅仅是经济上不合理，而安全上没有问题。在计算高宽比时，一般可按所考虑方向的最小投影宽度计算高宽比，对于突出建筑物很小的局部结构，如楼梯间、电梯间等，一般不包含在建筑宽度内。对于有裙房的高层建筑，当裙房的面积和刚度相对于其上部塔楼的面积和刚度较大时，计算高宽比的房屋高度和宽度可以按裙房以上的塔楼结构考虑。对于特殊的超过高宽比限制的情况，应进行专家审查，以免经济上严重浪费。

6位移的限值问题

限制高层建筑的层间位移，主要由以下两个目的，一是保证结构基本处于弹性受力状态，二是保证填充墙、隔墙、幕墙等非结构构件的完好，避免产生明显的损伤。在高层建筑中，决定其定点位移的限值因素不仅是数值大小，还与振动频率密切相关。一般人对高层建筑中的振动频率感知是很敏感的，而对震动幅度的大小则相对较弱，因此只要结构的摆动频率不是过高就能满足建筑的应用舒适度，对于为了避免由于结构的变形过大而产生的层间相对位移现象，限值在现有的规范中是较严格的。由于各种计算程序在算法中的区别，同一个结构若采取不同的程序进行计算，那么对层间位移数值也会造成较大差异，最主要原因就是每个软件对“层间位移”的定义各不相同，有些是充分考虑楼层在经过转动后其最大角点的位移状况，有些则单指楼层的形心位移情况。对于较规则的高层建筑而言，形心位移是十分重要的，而角点位移则主要反映出结构楼层实际位移状况，也是工程师在结构设计中应注意的问题。

7抗震性能化设计

首先应该强调，结构工程师应该与建筑师密切配合，尽量选用平面立面规则的结构形式，当结构方案确实严重不规则时，应根据结构体系的特殊性，运用性能化设计的方法，达到结构安全、经济合理的目标。性能化设计应立足于承载力和变形能力综合考虑，具有很强的针对性和灵活性，对于具体工程，既可以针对整个结构，也可以针对工程中的某些部位，某些关键构件。灵活运用各种手段达到预期的性能目标。

结 语

近些年来，我国的高层建筑建设发展迅速。在高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择，应根据具体情况进行具体分析掌握的知识处理实际建筑设计中遇到了各种问题。