论文部分内容阅读
摘要：由于建筑工程的蓬勃发展，高层建筑的队伍不断壮大，对于设计的要求也就有所增加。本文就高层建筑结构设计的各个方面进行分析，阐述了高层建筑结构设计的要点、结构设计的原则和结构设计中的相关问题及解决措施，以期提高结构工程师在处理高层建筑方面的设计能力。
关键词：结构设计；高层建筑；设计能力
随着高层建筑结构高度、复杂程度等的不断增加，高层建筑结构设计也带来了许多新的课题和更高的挑战。如何设计出安全、功能齐全、舒适美观、经济合理，同时又要符合人们精神生活要求，满足人们生产和生活的需求的建筑，是结构设计师们必须要面对和解决的首要问题。为此，本文对高层建筑结构设计进行了简要的探讨。
一、高层建筑结构设计的要点
1、水平载荷成为决定因素
对于任何一个建筑结构都要承受风产生的水平荷载和垂直荷载的共同作用，还应具有抵抗地震作用的能力。在较低楼房中，水平荷载产生的位移和内力都很小，对结构的影响也就较小，往往让以重力为代表的竖向荷载控制着整体的结构设计；但在较高楼房中却是由水平荷载起到决定性的作用。随着楼房层数的增多，水平荷载也就越来越成为结构设计中的重要控制因素。一方面从某一高度的楼房来看，竖向荷载的地震作用和风荷载的数值，会随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化；另一方面，因为楼面使用和楼房自重荷载在竖构件中所引起的弯矩和轴力的数值，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，是与楼房高度的两次方成正比。
2、侧移成为控制指标
在高层建筑结构设计中结构侧移的是关键因素，由于楼层的增加，在水平荷载作用下结构的侧向变形也会逐渐增大。设计高层结构时，不仅要求具有足够的抗侧刚度，让结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，从而保证良好的居住和工作条件；还要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力。
3、轴向变形不容忽视
在高层建筑结构中，由于楼层数多，轴力值很大，高度大，还有沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的分布与内力数值产生显著的改变。由于连续梁弯矩的影响，在采用框架体系和框--墙体系的高楼中，中柱的轴向压缩变形会大于边柱的轴向压缩变形，而框架中柱的轴压应力通常也要大于边柱的轴压应力。对于侧移和构件剪力的影响，应该和考虑竖向杆件轴向变形的剪力相比较，在不考虑竖杆件轴向變形时，结构顶点侧移减小一半以上，各构件水平剪力的平均误差可能要达到30%以上。
4、结构延性是重要设计指标
延性是指构件和结构屈服后，在基本不降低或承载能力不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的性能，通常会用延性比来表示。对于那些受弯构件来说，它会随着荷载增加，首先要受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形，然后受拉钢筋屈服，受压区混凝土压碎，受压区高度减小，构件最终破坏。为了使建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，建筑在进入塑性变形阶段以后还会具有较强的变形能力，尤其需要在构造上采用适当的设计，以确保建筑设计具有很好的延性。
二、高层建筑结构设计的原则
1、选用适当的计算简图：结构计算式在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当则会导致结构安全的事故常常发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。
2、选择合适的基础方案：基础设计应根据工程地质条件，上部结构类型与载荷分布，相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析，选择经济合理的基础方案，设计时宜最大限度地发挥地基的潜力，必要时应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告，对一些缺少地质报告的建筑应进行现场查看和参考临近建筑资料。通常情况下，同一结构单元不宜用两种不同的类型。
3、合理选择构方案：一个合理的设计必须选择一个经济合理的结构方案，也就是要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷。同一结构单元不宜混用不同结构体系，地震区应力求平面和竖向规则。总而言之，必须对工程的设计要求、材料供应、地理环境、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。
4、正确分析计算结果：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繁多，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。
5、采取相应的构造措施：结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压若拉原则”，注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的执行段锚固长度；考虑温度应力的影响力。
三、高层建筑结构的相关问题及解决措施
1、结构的超高问题：在抗震规范和高规范中，对结构的总高度有着严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度以为，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。
2、短肢剪力墙的设置问题：在新规范中，对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
3、嵌固端的设置问题：由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
4、结构的规则性问题：新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
四、结语
高层结构设计是一项集结构分析、计算机技术以及数学优化方法于一体的综合性技术工作，建筑设计者应该以当今经济现状和发展趋势为出发点，建立一个合理的、宏观的结构设计理念，合理确定建筑设计标准、经济性措施和原则，这样不仅可以满足设计的各类需求，更能改善人类的居住环境。
参考文献：
[1]肖峻高层建筑结构分析与设计[J]中化建设，2008，（12）.
[2]范小平.高层建筑结构概念设计中相关的几个问题应用分析[J].福建建材，2008，（6）
[3]赵西安.高层建筑结构选型、构造及简化计算[M].北京：中国建筑工业出版社，1989.
[4]刘文立.钢结构住宅建筑发展及结构体系分析[J].建筑技术，2009，40（2）：172--174.
关键词：结构设计；高层建筑；设计能力
随着高层建筑结构高度、复杂程度等的不断增加，高层建筑结构设计也带来了许多新的课题和更高的挑战。如何设计出安全、功能齐全、舒适美观、经济合理，同时又要符合人们精神生活要求，满足人们生产和生活的需求的建筑，是结构设计师们必须要面对和解决的首要问题。为此，本文对高层建筑结构设计进行了简要的探讨。
一、高层建筑结构设计的要点
1、水平载荷成为决定因素
对于任何一个建筑结构都要承受风产生的水平荷载和垂直荷载的共同作用，还应具有抵抗地震作用的能力。在较低楼房中，水平荷载产生的位移和内力都很小，对结构的影响也就较小，往往让以重力为代表的竖向荷载控制着整体的结构设计；但在较高楼房中却是由水平荷载起到决定性的作用。随着楼房层数的增多，水平荷载也就越来越成为结构设计中的重要控制因素。一方面从某一高度的楼房来看，竖向荷载的地震作用和风荷载的数值，会随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化；另一方面，因为楼面使用和楼房自重荷载在竖构件中所引起的弯矩和轴力的数值，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，是与楼房高度的两次方成正比。
2、侧移成为控制指标
在高层建筑结构设计中结构侧移的是关键因素，由于楼层的增加，在水平荷载作用下结构的侧向变形也会逐渐增大。设计高层结构时，不仅要求具有足够的抗侧刚度，让结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，从而保证良好的居住和工作条件；还要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力。
3、轴向变形不容忽视
在高层建筑结构中，由于楼层数多，轴力值很大，高度大，还有沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的分布与内力数值产生显著的改变。由于连续梁弯矩的影响，在采用框架体系和框--墙体系的高楼中，中柱的轴向压缩变形会大于边柱的轴向压缩变形，而框架中柱的轴压应力通常也要大于边柱的轴压应力。对于侧移和构件剪力的影响，应该和考虑竖向杆件轴向变形的剪力相比较，在不考虑竖杆件轴向變形时，结构顶点侧移减小一半以上，各构件水平剪力的平均误差可能要达到30%以上。
4、结构延性是重要设计指标
延性是指构件和结构屈服后，在基本不降低或承载能力不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的性能，通常会用延性比来表示。对于那些受弯构件来说，它会随着荷载增加，首先要受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形，然后受拉钢筋屈服，受压区混凝土压碎，受压区高度减小，构件最终破坏。为了使建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，建筑在进入塑性变形阶段以后还会具有较强的变形能力，尤其需要在构造上采用适当的设计，以确保建筑设计具有很好的延性。
二、高层建筑结构设计的原则
1、选用适当的计算简图：结构计算式在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当则会导致结构安全的事故常常发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。
2、选择合适的基础方案：基础设计应根据工程地质条件，上部结构类型与载荷分布，相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析，选择经济合理的基础方案，设计时宜最大限度地发挥地基的潜力，必要时应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告，对一些缺少地质报告的建筑应进行现场查看和参考临近建筑资料。通常情况下，同一结构单元不宜用两种不同的类型。
3、合理选择构方案：一个合理的设计必须选择一个经济合理的结构方案，也就是要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷。同一结构单元不宜混用不同结构体系，地震区应力求平面和竖向规则。总而言之，必须对工程的设计要求、材料供应、地理环境、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。
4、正确分析计算结果：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繁多，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。
5、采取相应的构造措施：结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压若拉原则”，注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的执行段锚固长度；考虑温度应力的影响力。
三、高层建筑结构的相关问题及解决措施
1、结构的超高问题：在抗震规范和高规范中，对结构的总高度有着严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度以为，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。
2、短肢剪力墙的设置问题：在新规范中，对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
3、嵌固端的设置问题：由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
4、结构的规则性问题：新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
四、结语
高层结构设计是一项集结构分析、计算机技术以及数学优化方法于一体的综合性技术工作，建筑设计者应该以当今经济现状和发展趋势为出发点，建立一个合理的、宏观的结构设计理念，合理确定建筑设计标准、经济性措施和原则，这样不仅可以满足设计的各类需求，更能改善人类的居住环境。
参考文献：
[1]肖峻高层建筑结构分析与设计[J]中化建设，2008，（12）.
[2]范小平.高层建筑结构概念设计中相关的几个问题应用分析[J].福建建材，2008，（6）
[3]赵西安.高层建筑结构选型、构造及简化计算[M].北京：中国建筑工业出版社，1989.
[4]刘文立.钢结构住宅建筑发展及结构体系分析[J].建筑技术，2009，40（2）：172--174.