高层建筑结构设计问题

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摘 要：随着高层建筑在我国的迅速发展,建筑高度的不断增加,建筑类型与功能的愈来愈复杂,结构体系的更加多样化,高层建筑结构设计面临的挑战和问题越来越多.本文就高层建筑设计的相关问题进行分析.

关 键 词：高层建筑结构设计建议

随着社会的不断进步和科技的不断发展,高层建筑越来越广泛的出现在城市建设中.高层建筑的结构设计已经成为了高层建筑设计的重点内容,因此,研究高层建筑结构设计的问题是非常重要和有意义的.在对高层建筑进行结构设计时,必须以高层建筑结构设计理论为基础,对影响高层建筑结构的主要因素进行深入的分析研究,做到精心设计,确保质量、安全.

1.高层建筑结构设计的特点

相对多层建筑而言,高层建筑结构设计所占的地位要重要得多,这是由于高层结构形式的选择将直接关系到建筑物的平面、立面、层高、设备安装、施工技术以及工程造价等多方面因素.不当的结构形式不仅会影响使用功能和造价,严重的还会影响其抗震性能,危害建筑物安全.其特点主要有：

1.1水平荷载成为决定因素

在多层房屋的结构设计中,由结构自重产生的重力决定着结构设计,而在高层建筑中,水平荷载却起着决定性作用.其原因一方面,因为楼房自重和楼面使用荷载在竖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；而另一方面根据力学原理,由水平荷载对结构产生的倾覆力矩在构件中引起的轴力,则与楼房高度的两次方成正比.水平荷载主要包括风荷载和地震作用,其大小与结构的动力特性有关,是高层结构设计的重点.

1.2结构侧移是高层结构设计中的关键指标

随着楼房高度的增加,水平荷载作用下结构的侧向位移随着建筑物高度的增加而迅速增大,与建筑高度的4次方成正比,并且由于新材料及新的建筑形式的应用,其侧向位移也迅速增大.如果侧向位移控制不好,轻则使居住人员有着不安全的感或使填充墙等建筑装饰开裂,重则导致房屋侧塌,影响结构安全,因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内.

1.3抗震性能是重要因素

小震不坏、大震不倒是高层建筑抗震设计的基本要求.高层建筑结构的抗震设计,除了要考虑常规设计中的竖向荷载、风荷载外,还必须考虑地震载荷,使结构具有良好的抗震性能.

2.目前高层建筑结构设计的常见问题

2.1高度问题

按我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）规定,综合考虑经济与适用的原则,给出了各种常见结构体系的最大适用高度.可实际上,已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制.

2.2抗争性能问题

由于国家财力物力有限,我国建筑结构我国现行抗震设防标准比较低,另外具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外；在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上,与外国相比,也有异同,其中的8度区,我国就明显不如外国严格.随着社会财富的增长,结构失效带来的损失愈来愈大,加之结构造价在整个投资中的比例下降,

2.3材料的选用和结构体系问题

在地震多发区,采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题.混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力,有的高达90%以上.由于结构以钢筋混凝土核心筒为主,变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准.但因其弯曲变形的侧移较大,靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移,不仅增大了钢结构的负担,而且效果不大.

3.提高高层建筑结构设计质量的建议

3.1合理选择建筑结构的材料和形式

根据高层建筑结构的材料将高层建筑的结构体系分为钢筋混凝土结构体系,钢结构体系,钢-混凝土混合结构体系以及钢-混凝土组合结构系.根据结构形式可以将高层建筑结构分为框架结构体系,剪力墙结构体系,框架-剪力墙结构体系.利用柱,梁等结构体系作为高层建筑竖向承重的结构,并且承受水平荷载,这种结构侧向位移大,框架结构内力大,适于50m高度以下的建筑；通过高层建筑的墙体当做抵抗侧力和竖向承重的结构体系,就是剪力墙结构体系.这种剪力墙结构的刚度大,整体性能好,不易受水平力作用发生变形,适应于高层建筑,但是由于剪力墙的间距小,使得平面的布置不灵活,因此,在公共建筑中不宜使用；利用框架和剪力墙组合的而构成的结构形式就是架-剪力墙结构体系,这种结构形式不但具有实用性强,布局灵活的优点,同时承水平负载的能力更高,在高层建筑中被广泛使用.

3.2优化结构构件设计

（1）增加抗弯结构体系的有效宽度,以调整结构的抗侧刚度.这样做,是非常直接的,也是非常有效的.增加宽度可以直接增大抵抗力臂,从而减小抗倾覆力.从材料力学的基本知识可以知道,同样面积、抗倾覆力同结构宽度的关系不同形状,可以获得不同的其几何特征.例如：相等面积的条件下,工字形截面的截面惯性矩要大于矩形截面,而矩形截面又要大于圆形截面.根据这个原理,不难理解加大宽度以后,整个结构的抗侧刚度得到很大提高.

（2）剪力墙超筋的情况.剪力墙暗柱超筋.软件中设定的暗柱最大配筋率是4%,而各规范以边缘构件方式给出了剪力墙主筋的配筋面积,没有最大配筋率.所以当程序给出剪力墙超筋的警告信息时,可以酌情考虑；当剪力墙连梁超筋时,通常表明其在水平地震力作用下抗剪承载力不够.

3.3设置变形缝

（1）沉降缝的设置.在建筑物的下列部位应设置沉降缝：地基土的压缩性有明显差异处；平面形状复杂的建筑物转折部位；高度差异或荷载差异处；建筑结构（或基础）类型不同处；过长的砖石承重结构或钢筋混凝土框架结构的适当部位；局部地下室的边缘；地基基础处理方法不同处.

（2）伸缩缝的设置排架结构的柱高（从基础顶面算起）低于时,宜适当减小伸缩缝间距.

4.结语

高层建筑的结构设计是一项综合性的技术工作,对于建筑的设计有着非常重要的作用和意义.随着我国高层建筑的不断发展,高层建筑的结构设计的要求越来越高,从高层建筑的结构特征来看,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.