论文部分内容阅读
摘要：现代建筑技术的开发应用推动了高层建筑的规模化发展。该文论述了高层建筑在结构分析和设计过程中要注意的问题和特点，为建造适用、安全、经济、美观的高层建筑提供参考。
关键词： 高层建筑；概念设计；水平荷载； 刚度设计
中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：
随着城市人口的不断增多、城市化进程的不断加快，土地资源的供求矛盾日趋紧张， 高层建筑也得以快速发展。高层建筑结构造型的复杂化、多样化需求推动了其使用功能的综合性开发。高层建筑结构的分析与设计作为现代高层建筑技术施工的重要环节是保障高层建筑质量安全的重要前提[1]。高层建筑简单概括而言就是一个插入地下的悬臂构件[2]。高层建筑由于其高度因素，结构受力十分复杂，除了来自本身极大的自重和使用荷载外，还有来自水平方向的风荷载和地震力等侧向荷载，后者往往成为控制高层建筑结构设计的主要因素[3]。高层建筑规模大，内部功能多样，设备要求复杂，所有这些都对高层建筑的结构提出了更高的要求。
1 概念设计
1.1 平面设计
建筑平面的形状宜选用风压较小的形式并应考虑邻近高层建筑对其风压分布的影响， 还必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载。在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，风荷载作用下则可适当放宽。不宜建造宽度很小的建筑物，一般应将结构的高宽比H/B 控制在5～6 以下，当设防烈度在8 度以上时，H/ B限制应更严格一些。另外， 建筑平面的长宽比也不宜过大，一般宜小于6，以避免两端相距太远，振动不同步，产生扭转等复杂的振动，而使结构受到损害。所以，对任何平面形式的高层建筑来说，其抗侧力结构的布置原则都是尽量使平面的质量中心接近于抗侧力结构的刚度中心。因此，简洁、规整、均匀对称的平面设计，对于合理布置抗侧力结构是有利的。由于质量分布很难做到均匀对称，在结构布置时，除要求各向对称外，还最好能具有较大的抗扭刚度，在满足建筑功能的条件下，把抗测力构件从中心布置和分散布置，改为沿建筑周边或四个角上布置，就大大提高结构的抗扭能力。
高层建筑对内部空间的要求，因其使用性质和功能不同，建筑平面布置也就随之变化。随着结构技术的发展，一些较新颖结构体系的运用，如悬挂、巨型、悬挑等结构，为满足各种使用功能要求创造了有利的条件。
1.2 剖面设计
建筑的空间形态是由结构传力体系支撑的。从高层建筑的受力合理性讲，应注意幾点：(1) 应注意控制建筑的高宽比。(2) 高层建筑的抗侧力结构刚度，应注意由基础向顶层逐渐过渡，要尽量避免出现在竖向上刚度发生突变的现象。(3)必须设置结构转换层。(4) 高层建筑必须有相应的锚固深度。
采用对侧向力不太敏感的房屋形状，利用它的几何形状所具有的力学优点，使结构较为有效或者造价较低而房屋又能造得较高，这是现代高层建筑创新的一种途径：（1）截锥形： 采用由上而下分段逐渐减小楼层面积阶梯状体型，能使房屋刚度大大增加；（2）上窄下宽形：高层建筑随着高度的增加在符合竖向结构的要求下，楼身向上不断收进与变细， 这样可减轻承受的风力，降低楼体的重心，加强结构的稳定性；（3）新月形：新月形房屋就像一个竖向的悬臂壳体一样，能有效地增加它低抗侧向力的刚度，它的作用就像波形的屋面壳体能有效地抵抗重力荷载一样
1.3 基础概念设计
地下结构一般为两层，其高度与长度相比在1/10 左右，它的刚度能否调节不均匀沉降成为大底盘设计中的关键问题。因此，对于基础进行合理的设计已成为高层建筑结构设计的一个重要环节。基础除了与地基相互作用外，与上部结构作用的关系也很复杂。除非在建筑的边缘部位荷载很大的情况以外，一般建筑基础的变形总是成锅底形。中部沉降多，外缘沉降少。在建造下部几层时，基础钢筋应力不断增长。建筑到四五层时钢筋应力达到最高值，以后随层数和荷载的增加应力又逐渐减小。这种现象是基础和上部结构协同作用的结果。高低层不分开是有条件的，首先地基地质要好，或采用桩基。要求地基沉降量不能过大。重要的是控制高低层的沉降差。当地基土质较软弱，建筑物层数较多，荷载较大的情况下，天然地基不能满足地基承载力的要求可以采用桩基将上部结构荷载直接传到下部坚实的持力层；箱形基础在高层建筑中广泛应用，它整体刚度好，能将上部结构的荷载均匀地传给基础， 对上部结构能良好地嵌固。箱基有效地抵抗不均匀沉降，并与周围土体协同工作，提高建筑物的抗震和抗风能力；筏形基础适用于上部结构荷载较大，地基承载力较低的工程。筏形基础整体较好，刚度大，能有效地分散上部结构的荷载，调整基底的压力和不均匀沉降。
2 刚度设计
2.1 结构的几种破坏模式
（1）框架结构
框架在地震力作用下首先在梁端出现塑性铰，塑性铰出现后，刚度明显下降，自震周期加长，地震作用减小，受力状态得以改善。如强震继续作用，那么底层柱弯距增大，导致下部出现塑性铰，结构进入运动状态，很可能房屋会倒塌；
（2）剪力墙
分为剪力墙、联肢剪力墙两种，剪力墙塑化过程是在底部出现塑性铰，因此设计应尽量提高这一部位的延性，对其抗弯、抗剪可靠性予以提高。从剪力墙、联肢剪力墙理想破坏机制看，设计的关键问题是底部的抗弯、抗剪强度，在设计中提高这一部位的可靠性，注意延性设计，就可以保证建筑物在地震中的安全性；
（3）框架剪力墙
其塑化历程先在连肢梁中出现塑性铰，后在剪力墙底部出现塑性铰，再向后发展才是框架梁上，最后是柱底部出现塑性铰。框架刚度较小，重点在延性设计；剪力墙刚度大，首先是强度设计，其次是延性设计。
2.2 抗震设计
结构设计一定要避免设计不当，造成在地震力作用下部分主要构件破坏，或是整幢建筑物连续破坏的局面，故结构整体设计要注意加强薄弱部位，尽量做到等强度。如角柱的配筋适当加强，防止角柱先破坏，以免引起其它部位的破坏另一方面，还要考虑结构好的耗能系统。耗能系统的作用主要是在强震下，使建筑物产生塑性变形，设计中在某些部位要人为地制造若干薄弱环节，以便比较容易产生一些塑性铰消耗大量的能量，增大结构的整体延性。地震区搞设计必须对结构延性有清晰的概念。结构延性一般用延性系数来表示， 它表示的是结构破坏变形与屈服变形的比值。通常为保证结构有良好的抗震性能一般要求比值大于4。混凝土延性系数一般是1~2，提高混凝土强度等级，延性系数稍有增加，影响不大。钢筋则不同，延性很好，级别低则延性好，钢筋混凝土结构延性主要靠钢筋延性来实现，因此在钢筋混凝土结构设计中应注意钢筋级别、配筋率大小、构造措施等。
3 地下室设计
3.1 抗浮措施
地下室的抗浮设计一般分为整体抗浮计算和地下室底板抗浮设计部分。对整体抗浮：尽量提高地下室的地板标高，使抗浮力减小；增加地下室顶板覆土厚度；增加地下室基础或底板上的配重。地下室底板抗浮：提高的底板的标高，相对降低了抗浮设防水位，降低了地板的配筋，比较经济；增加地下室顶板覆土厚度对地下室底板的配筋设计没有直接影响。
3.2 不均匀沉降处理措施
裙房和高层建筑之间设沉降缝，让各部分自由沉降，互不影响，有效的避免了由于不均匀沉降产生的内力；裙房和高层建筑之间不设沉降缝，采用端承桩，将桩端置于坚硬的基岩或砂卵石层上。让裙房和主楼的沉降均保持很小，这样，既满足了地基承载力要求，又避免了明显的沉降差。
4 结语
随着现代建筑技术的开发，推动了高层建筑的规模化发展，而现代高层建筑结构设计与施工，是保障建筑质量与安全性能的重要环节。在这全新的形势下，明确高层建筑结构的设计特点与设计原则，针对建筑结构进行科学合理的分析，是我们未来设计师实现高层建筑科学开发的重要前提。
参考文献：
[1]由终南.浅谈现代高层建筑的结构分析与设计[M]. 林业科技情报.2012.
[2]樊军保.现代高层建筑施工技术及应用分析.[M] 中华民居.2012.3
[3]白林艳.现代高层建筑结构转换层的施工分析[M].工业与民用建筑工程技术，2013.
关键词： 高层建筑；概念设计；水平荷载； 刚度设计
中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：
随着城市人口的不断增多、城市化进程的不断加快，土地资源的供求矛盾日趋紧张， 高层建筑也得以快速发展。高层建筑结构造型的复杂化、多样化需求推动了其使用功能的综合性开发。高层建筑结构的分析与设计作为现代高层建筑技术施工的重要环节是保障高层建筑质量安全的重要前提[1]。高层建筑简单概括而言就是一个插入地下的悬臂构件[2]。高层建筑由于其高度因素，结构受力十分复杂，除了来自本身极大的自重和使用荷载外，还有来自水平方向的风荷载和地震力等侧向荷载，后者往往成为控制高层建筑结构设计的主要因素[3]。高层建筑规模大，内部功能多样，设备要求复杂，所有这些都对高层建筑的结构提出了更高的要求。
1 概念设计
1.1 平面设计
建筑平面的形状宜选用风压较小的形式并应考虑邻近高层建筑对其风压分布的影响， 还必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载。在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，风荷载作用下则可适当放宽。不宜建造宽度很小的建筑物，一般应将结构的高宽比H/B 控制在5～6 以下，当设防烈度在8 度以上时，H/ B限制应更严格一些。另外， 建筑平面的长宽比也不宜过大，一般宜小于6，以避免两端相距太远，振动不同步，产生扭转等复杂的振动，而使结构受到损害。所以，对任何平面形式的高层建筑来说，其抗侧力结构的布置原则都是尽量使平面的质量中心接近于抗侧力结构的刚度中心。因此，简洁、规整、均匀对称的平面设计，对于合理布置抗侧力结构是有利的。由于质量分布很难做到均匀对称，在结构布置时，除要求各向对称外，还最好能具有较大的抗扭刚度，在满足建筑功能的条件下，把抗测力构件从中心布置和分散布置，改为沿建筑周边或四个角上布置，就大大提高结构的抗扭能力。
高层建筑对内部空间的要求，因其使用性质和功能不同，建筑平面布置也就随之变化。随着结构技术的发展，一些较新颖结构体系的运用，如悬挂、巨型、悬挑等结构，为满足各种使用功能要求创造了有利的条件。
1.2 剖面设计
建筑的空间形态是由结构传力体系支撑的。从高层建筑的受力合理性讲，应注意幾点：(1) 应注意控制建筑的高宽比。(2) 高层建筑的抗侧力结构刚度，应注意由基础向顶层逐渐过渡，要尽量避免出现在竖向上刚度发生突变的现象。(3)必须设置结构转换层。(4) 高层建筑必须有相应的锚固深度。
采用对侧向力不太敏感的房屋形状，利用它的几何形状所具有的力学优点，使结构较为有效或者造价较低而房屋又能造得较高，这是现代高层建筑创新的一种途径：（1）截锥形： 采用由上而下分段逐渐减小楼层面积阶梯状体型，能使房屋刚度大大增加；（2）上窄下宽形：高层建筑随着高度的增加在符合竖向结构的要求下，楼身向上不断收进与变细， 这样可减轻承受的风力，降低楼体的重心，加强结构的稳定性；（3）新月形：新月形房屋就像一个竖向的悬臂壳体一样，能有效地增加它低抗侧向力的刚度，它的作用就像波形的屋面壳体能有效地抵抗重力荷载一样
1.3 基础概念设计
地下结构一般为两层，其高度与长度相比在1/10 左右，它的刚度能否调节不均匀沉降成为大底盘设计中的关键问题。因此，对于基础进行合理的设计已成为高层建筑结构设计的一个重要环节。基础除了与地基相互作用外，与上部结构作用的关系也很复杂。除非在建筑的边缘部位荷载很大的情况以外，一般建筑基础的变形总是成锅底形。中部沉降多，外缘沉降少。在建造下部几层时，基础钢筋应力不断增长。建筑到四五层时钢筋应力达到最高值，以后随层数和荷载的增加应力又逐渐减小。这种现象是基础和上部结构协同作用的结果。高低层不分开是有条件的，首先地基地质要好，或采用桩基。要求地基沉降量不能过大。重要的是控制高低层的沉降差。当地基土质较软弱，建筑物层数较多，荷载较大的情况下，天然地基不能满足地基承载力的要求可以采用桩基将上部结构荷载直接传到下部坚实的持力层；箱形基础在高层建筑中广泛应用，它整体刚度好，能将上部结构的荷载均匀地传给基础， 对上部结构能良好地嵌固。箱基有效地抵抗不均匀沉降，并与周围土体协同工作，提高建筑物的抗震和抗风能力；筏形基础适用于上部结构荷载较大，地基承载力较低的工程。筏形基础整体较好，刚度大，能有效地分散上部结构的荷载，调整基底的压力和不均匀沉降。
2 刚度设计
2.1 结构的几种破坏模式
（1）框架结构
框架在地震力作用下首先在梁端出现塑性铰，塑性铰出现后，刚度明显下降，自震周期加长，地震作用减小，受力状态得以改善。如强震继续作用，那么底层柱弯距增大，导致下部出现塑性铰，结构进入运动状态，很可能房屋会倒塌；
（2）剪力墙
分为剪力墙、联肢剪力墙两种，剪力墙塑化过程是在底部出现塑性铰，因此设计应尽量提高这一部位的延性，对其抗弯、抗剪可靠性予以提高。从剪力墙、联肢剪力墙理想破坏机制看，设计的关键问题是底部的抗弯、抗剪强度，在设计中提高这一部位的可靠性，注意延性设计，就可以保证建筑物在地震中的安全性；
（3）框架剪力墙
其塑化历程先在连肢梁中出现塑性铰，后在剪力墙底部出现塑性铰，再向后发展才是框架梁上，最后是柱底部出现塑性铰。框架刚度较小，重点在延性设计；剪力墙刚度大，首先是强度设计，其次是延性设计。
2.2 抗震设计
结构设计一定要避免设计不当，造成在地震力作用下部分主要构件破坏，或是整幢建筑物连续破坏的局面，故结构整体设计要注意加强薄弱部位，尽量做到等强度。如角柱的配筋适当加强，防止角柱先破坏，以免引起其它部位的破坏另一方面，还要考虑结构好的耗能系统。耗能系统的作用主要是在强震下，使建筑物产生塑性变形，设计中在某些部位要人为地制造若干薄弱环节，以便比较容易产生一些塑性铰消耗大量的能量，增大结构的整体延性。地震区搞设计必须对结构延性有清晰的概念。结构延性一般用延性系数来表示， 它表示的是结构破坏变形与屈服变形的比值。通常为保证结构有良好的抗震性能一般要求比值大于4。混凝土延性系数一般是1~2，提高混凝土强度等级，延性系数稍有增加，影响不大。钢筋则不同，延性很好，级别低则延性好，钢筋混凝土结构延性主要靠钢筋延性来实现，因此在钢筋混凝土结构设计中应注意钢筋级别、配筋率大小、构造措施等。
3 地下室设计
3.1 抗浮措施
地下室的抗浮设计一般分为整体抗浮计算和地下室底板抗浮设计部分。对整体抗浮：尽量提高地下室的地板标高，使抗浮力减小；增加地下室顶板覆土厚度；增加地下室基础或底板上的配重。地下室底板抗浮：提高的底板的标高，相对降低了抗浮设防水位，降低了地板的配筋，比较经济；增加地下室顶板覆土厚度对地下室底板的配筋设计没有直接影响。
3.2 不均匀沉降处理措施
裙房和高层建筑之间设沉降缝，让各部分自由沉降，互不影响，有效的避免了由于不均匀沉降产生的内力；裙房和高层建筑之间不设沉降缝，采用端承桩，将桩端置于坚硬的基岩或砂卵石层上。让裙房和主楼的沉降均保持很小，这样，既满足了地基承载力要求，又避免了明显的沉降差。
4 结语
随着现代建筑技术的开发，推动了高层建筑的规模化发展，而现代高层建筑结构设计与施工，是保障建筑质量与安全性能的重要环节。在这全新的形势下，明确高层建筑结构的设计特点与设计原则，针对建筑结构进行科学合理的分析，是我们未来设计师实现高层建筑科学开发的重要前提。
参考文献：
[1]由终南.浅谈现代高层建筑的结构分析与设计[M]. 林业科技情报.2012.
[2]樊军保.现代高层建筑施工技术及应用分析.[M] 中华民居.2012.3
[3]白林艳.现代高层建筑结构转换层的施工分析[M].工业与民用建筑工程技术，2013.