高层建筑结构设计的影响因素

吴安虎

摘要：必须充分了解高层建筑结构设计特点及其结构体系，只有这样才能使设计达到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的基本原则。本文探讨了高层建筑结构设计的影响因素。

关键词：高层建筑；结构设计；基本要求；影响因素

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

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。高层建筑结构设计是高层建筑设计的基础,结构材料、结构体系以及基础形式等进行比选和优化,使得结构既具有足够的承载力、刚度和抗震性能等,又能提高材料的利用率,降低材料消耗,节约造价。

一、高层建筑结构设计的基本要求

1、选择合理的高层建筑结构基础设计

按照高层建筑地质条件进行基础设计的选择。综合分析高层建筑上部的结构类型与荷载分布情况，考虑施工条件，相邻的建筑物的影响等各个因素，在此基础上选择科学合理的基础方案。基础方案的选择应该使得地基的潜力得到最大程度的发挥，必要的时候要求进行地基变形的检验。高层建筑设计要有详细的地质勘查报告，如果缺失，那么应该进行现场勘查并参考相邻建筑物的有关资料。一般情况下，相同结构单元应该采用相同的类型。

2、选择合理的高层建筑结构方案

合理的结构设计方案必须满足经济性的要求，并且要满足结构形式和结构体系的要求。结构体系的要求是受力明确，传力简单。在相同的结构单元当中，应该选择相同结构体系，如果高层建筑处于地震区，那么应力需要平面和竖向的规则。在进行了地理条件，工程设计需求，施工条件，材料等的综合分析的基础上，并和建筑包括水，暖，电等各个专业的相协调的情况下，选择合理的结构，从而确定结构的方案。

3、选择合理的高层建筑结构计算简图

在计算简图基础上进行高层建筑结构设计的计算，如果选择不合理的计算简图，那么就比较容易造成由于结构安发生的事故，基于此，高层建筑结构设计安全保证的前提是合理的计算简图的选择。同时，计算简图应该采用相应的构造方法保证安全。在实际的结构中，其结构节点不单是钢节点或者饺节点，保证和计算简图的误差在规范规定的范围内。

4、高层建筑的结构设计要采用相应构造措施

高层建筑结构设计的原则是强剪切力弱弯变，强压力弱拉力，强柱弱梁。高层建筑结构设计过程中把握上述原则，加强薄弱部位，对钢筋的执行段锚固长度给予重视，并且要重点考虑构件延性的性能和温度应力对构件的影响。

5、对计算结果进行准确的分析

随着科技的不断进步，计算机技术被广泛的应用在建筑结构的设计中。当前市场上存在着形形色色的计算软件，采用不同的软件得到的结果可能不同，所以，建筑结构设计人员在全面了解的软件使用的范围和条件的前提下，选择合适的软件进行计算。由于建筑结构的实际情况和计算机程序并不一定完全相符，所以进行计算机辅助设计的时候，出现人工输入误差或者因为软件本身存在着缺陷使得计算结果不准确的问题，基于此，结构设计工程师在得到了通过计算机软件得到的结果以后，应该进行校核，进行合理判断，得出准确结果。

二、高层建筑结构设计的影响因素

1、水平荷载成为决定因素

一方面，因为楼房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，仅与楼房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，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对一定高度楼房来说，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，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2、高层建筑结构受力性能

对于一个建筑物的最初的方案设计, 建筑师考虑更多的是它的空间组成特点, 而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重

要的, 由于建筑物是由一些大而重的构件所组成, 因此结构必须能将它本身的重量传至地面, 结构的荷载总是向下作用于地面的, 而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系, 所以, 在建筑设计的方案阶段, 就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。

对于低层、多层和高层建筑, 竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的, 但是, 随着高度的不断增加, 竖向结构体系成为设计的控制因素, 其原因有两个: 其一, 较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒; 其二, 侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。与竖向荷载相比, 侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的, 而随建筑高度的增高迅速增大。例如, 在所有条件相同时, 在风荷载作用下, 建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比, 而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比, 地震的作用效应更加明显。在高层建筑中, 问题不仅仅是抗剪, 而更重要的是整体抗弯和抵抗变形, 可见, 高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异。

3、高层建筑结构设计中的扭转问题

建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心,在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点, 即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一, 在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏, 应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局, 尽可能地使建筑物做到三心合一。

在水平荷载作用下, 高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀, 减轻结构的扭转振动, 应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下, 由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制, 高层建筑不可能全部采用简单平面形式, 当需要采用不规则L 形、T 形、十字形等比较复杂的平面形式时, 应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内, 同时, 在结构平面布置时, 应尽可能使结构处于对称状态。

4、 轴向变形不容忽视

任何建筑结构在外力作用下产生的位移都包括弯曲、轴向变形和剪切变形三部分。在低层建筑结构设计中，通常只考虑弯曲变形，而忽略铀向变形和剪切变形的影响，因为一般结构构件的轴力和剪力产生影响较小，可不考虑。而高层建筑由于层数多、轴力大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会对高层结构的内力产生很大影响。此外，高层结构中的剪力墙的截面也往往很大。因此，剪切变形的影响不可忽略。

采用框架体系和框架———剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴向压力往往大于边柱的铀向压力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。故在高层建筑设计中，轴向变形不能不考虑。

在高层建筑结构的力学计算中，根据所选计算手段，所计算的构件变形因素是有区别的。对于简化助手计算方法，一般只计算最基本的变形。采用计算机方法计算时，计算的变形因素要多一些。

当用空间协同工作方法时，考虑了梁的弯曲、剪切变形，考虑了柱、剪力墙的弯曲、剪切和轴向变形；当用完全的三维空间分析方法时，除考虑了前面全部变形外，还增加了梁、柱、剪力墙的扭转变形，以及剪力墙墙体截面的翘曲变形。

参考文献：

[1] 杨琦. 高层建筑结构特点及其体系[J]. 沿海企业与科技. 2007(01)

[2] 于险峰. 高层建筑结构设计特点及其体系[J]. 中国新技术新产品. 2009(24)

[3] 李济南. 浅谈高层建筑结构设计[J]. 江西建材. 2006(04)

[4] 赵明华,赵小慧. 如何对高层建筑结构进行设计分析之探析[J]. 民营科技. 2010(05)

[5] 董俊,肖岱. 高层混凝土建筑结构分析与设计[J]. 四川建材. 2010(06)

[6] 仲纪贵. 浅析高层结构概念设计[J]. 华章. 2008(Z2)

[7] 王越.论高层建筑结构分析与设计的探讨[J]. 科技促进发展. 2009(12)

[8] 陈启斌.小议高层建筑结构设计[J]. 今日科苑. 2008(14)