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摘要：作为高层建筑施工中的重点工作，结构设计对整个建筑质量有着直接性的影响。如何控制好其设计质量、其主要内容和涉及到的要点，文中进行了具体探讨，以供参考。
关键词：民用 高层建筑 结构设计
中圖分类号：TU318文献标识码： A
前言
结构工程师应以力学概念和丰富的工程经验为基础，从结构整体和局部两个方面对计算结果的合理性正确判断计算结果，确认其可靠后，方可用于工程设计。高层建筑结构设计、计算是一项复杂的工作，它要结构设计人员既要有扎实的理论功底，又要有丰富的工程经验，这样设计出来的建筑物才能达到既安全、可靠，又经济、合理。
一、高层建筑结构的特点
1、水平载荷成为决定因素
任何一个建筑结构都要同时承受竖向荷载和风等因素产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。在多层建筑中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，水平荷载产生的内力和位移很小，对结构的影响也就较小；但在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，水平荷载却起着决定性的作用。
2、轴向变形不容忽视
通常在多层建筑结构分析中，轴向变形只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了。由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上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内力数值与分布产生显著的改变。
3、侧移成为控制指标
与多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。设计高层结构时，不仅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；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限值之内，保证良好的居住和工作条件。
4、结构延性是重要设计指标
相对多层结构而言，高层结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。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，特别需要在构造上采以恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
二、高层建筑结构设计要点
1、结构选型
对于高层建筑结构而言, 在工程设计的结构选型阶段,应注意以下几点:
（1）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。
（2）结构的超高问题。在抗震规范与高规中, 对结构的总高度都有严格的限制, 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 级高度的建筑外,增加了B级高度的建筑, 因此, 必须对结构的该项控制因素严格注意, 一旦结构为B级高度建筑或超过了B 级高度,其设计方法和处理措施将有较大的变化。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。
（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固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题, 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）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。
2、地基与基础设计
在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。由于我国占地面积较广, 地质条件相当复杂, 因此, 作为建立在国家标准之下的地方标准。地方性的“地基基础设计规范”能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确, 所以, 在进行地基基础设计时, 一定要对地方规范进行深入地学习, 以避免对整个结构设计或后期设计工作造成较大的影响。
3、结构计算与分析
在结构计算与分析阶段, 如何准确, 高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理, 是决定工程设计质量好坏的关键。由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分相当多的内容进行了调整和改进, 因此, 对这一阶段比较常见的问题应该有一个清晰的认识。
(1)结构整体计算的软件选择。目前比较通用的计算软件有: SATWE、TAT、TBSA等, 但是, 由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异, 因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。所以, 在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件, 并从不同软件相差较大的计算结果中,判断哪个是合理的、哪个是可以作为参考的, 哪个又是意义不大的, 这将是结构工程师在设计工作中首要的工作。否则, 如果选择了不合适的计算软件, 不但会浪费大量的时间和精力, 而且有可能使结构有不安全的隐患存在。
（2）是否需要地震力放大, 考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。该部分内容实际上在新老规范中都有提及, 只是,在新规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数。
（3）振型数目是否足够。在新规范中增加一个振型参与系数的概念, 并明确提出了该参数的限值。由于在旧规范设计中, 并未提出振型参与系数的概念, 或即使有该概念,该参数的限值也未必一定符合新规范的要求, 因此, 在计算分析阶段必须对计算结果中该参数的结果进行判断, 并决定是否要调整振型数目的取值。
（4）共振问题。随着大底盘, 多塔楼的高层建筑类型大量涌现, 在计算分析此类高层建筑时, 是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算, 还是将结构人为地分开进行计算, 是结构工程师必须注意的问题。如果多塔间刚度相差较大, 就有可能出现即使振型参与系数满足要求, 但是对某一座塔楼的地震力计算误差仍然有可能较大, 从而使结构出现不安全的隐患。此外，当建筑场地发生地震时, 如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近, 建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期, 通过调整结构的层数,选择合适的结构类别和结构体系, 扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别, 避免共振的发生。
（5）非结构构件的计算与设计。在高层建筑中, 往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。对这部分内容, 尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时, 由于高层建筑的地震作用和风荷载均较大, 因此, 必须严格按照新规范中增加的非结构构件的计算处理措施进行设计。
结束语
在高层建筑结构设计中,结构工程师应从结构的安全、使用功能、建筑美观等方面进行全盘考虑,运用掌握的知识和经验处理实际遇到的各种问题,才能设计出安全合理的高层建筑结构。
参考文献
[1] 赵天赋,李虹.高层建筑结构设计研究[J]. 今日科苑. 2009(12)
[2] 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)
[3] 沈芳.高层建筑结构设计中应注意的几个问题[J]. 科技资讯. 2007(21)
[4] 杨恒.试论高层结构设计中的常见问题[J]. 黑龙江科技信息. 2008(13)
[5] 陈画.浅谈高层建筑结构设计中的若干问题[J]. 科技致富向导. 2011(14)
关键词：民用 高层建筑 结构设计
中圖分类号：TU318文献标识码： A
前言
结构工程师应以力学概念和丰富的工程经验为基础，从结构整体和局部两个方面对计算结果的合理性正确判断计算结果，确认其可靠后，方可用于工程设计。高层建筑结构设计、计算是一项复杂的工作，它要结构设计人员既要有扎实的理论功底，又要有丰富的工程经验，这样设计出来的建筑物才能达到既安全、可靠，又经济、合理。
一、高层建筑结构的特点
1、水平载荷成为决定因素
任何一个建筑结构都要同时承受竖向荷载和风等因素产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。在多层建筑中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，水平荷载产生的内力和位移很小，对结构的影响也就较小；但在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，水平荷载却起着决定性的作用。
2、轴向变形不容忽视
通常在多层建筑结构分析中，轴向变形只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了。由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上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内力数值与分布产生显著的改变。
3、侧移成为控制指标
与多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。设计高层结构时，不仅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；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限值之内，保证良好的居住和工作条件。
4、结构延性是重要设计指标
相对多层结构而言，高层结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。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，特别需要在构造上采以恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
二、高层建筑结构设计要点
1、结构选型
对于高层建筑结构而言, 在工程设计的结构选型阶段,应注意以下几点:
（1）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。
（2）结构的超高问题。在抗震规范与高规中, 对结构的总高度都有严格的限制, 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 级高度的建筑外,增加了B级高度的建筑, 因此, 必须对结构的该项控制因素严格注意, 一旦结构为B级高度建筑或超过了B 级高度,其设计方法和处理措施将有较大的变化。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。
（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固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题, 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）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。
2、地基与基础设计
在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。由于我国占地面积较广, 地质条件相当复杂, 因此, 作为建立在国家标准之下的地方标准。地方性的“地基基础设计规范”能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确, 所以, 在进行地基基础设计时, 一定要对地方规范进行深入地学习, 以避免对整个结构设计或后期设计工作造成较大的影响。
3、结构计算与分析
在结构计算与分析阶段, 如何准确, 高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理, 是决定工程设计质量好坏的关键。由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分相当多的内容进行了调整和改进, 因此, 对这一阶段比较常见的问题应该有一个清晰的认识。
(1)结构整体计算的软件选择。目前比较通用的计算软件有: SATWE、TAT、TBSA等, 但是, 由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异, 因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。所以, 在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件, 并从不同软件相差较大的计算结果中,判断哪个是合理的、哪个是可以作为参考的, 哪个又是意义不大的, 这将是结构工程师在设计工作中首要的工作。否则, 如果选择了不合适的计算软件, 不但会浪费大量的时间和精力, 而且有可能使结构有不安全的隐患存在。
（2）是否需要地震力放大, 考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。该部分内容实际上在新老规范中都有提及, 只是,在新规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数。
（3）振型数目是否足够。在新规范中增加一个振型参与系数的概念, 并明确提出了该参数的限值。由于在旧规范设计中, 并未提出振型参与系数的概念, 或即使有该概念,该参数的限值也未必一定符合新规范的要求, 因此, 在计算分析阶段必须对计算结果中该参数的结果进行判断, 并决定是否要调整振型数目的取值。
（4）共振问题。随着大底盘, 多塔楼的高层建筑类型大量涌现, 在计算分析此类高层建筑时, 是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算, 还是将结构人为地分开进行计算, 是结构工程师必须注意的问题。如果多塔间刚度相差较大, 就有可能出现即使振型参与系数满足要求, 但是对某一座塔楼的地震力计算误差仍然有可能较大, 从而使结构出现不安全的隐患。此外，当建筑场地发生地震时, 如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近, 建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期, 通过调整结构的层数,选择合适的结构类别和结构体系, 扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别, 避免共振的发生。
（5）非结构构件的计算与设计。在高层建筑中, 往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。对这部分内容, 尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时, 由于高层建筑的地震作用和风荷载均较大, 因此, 必须严格按照新规范中增加的非结构构件的计算处理措施进行设计。
结束语
在高层建筑结构设计中,结构工程师应从结构的安全、使用功能、建筑美观等方面进行全盘考虑,运用掌握的知识和经验处理实际遇到的各种问题,才能设计出安全合理的高层建筑结构。
参考文献
[1] 赵天赋,李虹.高层建筑结构设计研究[J]. 今日科苑. 2009(12)
[2] 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)
[3] 沈芳.高层建筑结构设计中应注意的几个问题[J]. 科技资讯. 2007(21)
[4] 杨恒.试论高层结构设计中的常见问题[J]. 黑龙江科技信息. 2008(13)
[5] 陈画.浅谈高层建筑结构设计中的若干问题[J]. 科技致富向导. 2011(14)