高层建筑物设计中若干结构问题的漫谈

摘要： 随着我国城市化的加快和城市建设用地日益紧张，高层建筑越来越多。本文针对高层建筑结构设计的特点，对高层建筑结构中的受力性能以及设计中的扭转问题、侧移和振动周期、位移、剪重比等若干问题进行了分析研究。

Abstract： With the urbanization is speeding up and the city construction land increasingly tense， more and more high-rise buildings emerge in China. This paper expounds the characteristics of structure design of high-rise building， and analyses the stress performance in high-rise building structure， the torsion problem， lateral and vibration period， displacement and shear weight ratio in high-rise building design.

关键词： 高层建筑物；结构；问题；处理

Key words： high-rise building；structure；problem；treatment

中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）20-0133-02

0 引言

近几年，随着建筑事业的快速发展，房屋建设的技术不断提高，为了最大限度地利用土地资源，房屋建筑由以前的低层、多层向着高层方向不断发展。高层建筑的快速发展使得房屋结构形式越来越复杂，设计手段不断地更新变化。质量轻、强度高的建筑材料开发使用及各种高效的设计计算理论不断出现，全新的施工技术和精密的施工设备不断更新，设备使计算机辅助设计和建筑结构设计技术的提高，为高层建筑事业的发展提供了重要的技术条件。本文通过高层建筑结构设计的特点，对设计结构中的若干问题进行了分析研究，可供设计时参考。

1 高层建筑结构设计的特点

1.1 水平力是设计的重要因素 在高层建筑中，尽管竖向荷载在高层建筑中对结构设计具有重大的影响，但水平荷载力对结构设计起着决定性的作用。在建筑结构中，水平荷载所产生的倾覆力矩和轴力是与建筑高度的两次方成正比的。水平荷载力的风荷载和地震作用的数值随着结构动力性的不同而发生改变。

1.2 抗震设计要求更高 对于高层建筑的抗震性能的设计，不仅要考虑建筑结构的竖向荷载和风荷载，还要求建筑结构具有更强的抗震效果，要求小震不坏，大震不倒。

1.3 侧移成为控制指标 当建筑高度达到一定的程度时，结构侧移就成了高层建筑结构设计中重要的一点。由于水平荷载会对建筑整体结构的侧移造成影响，从而导致侧移变形不断增加，影响建筑的使用功能。

1.4 轴向变形的影响 在高层建筑中，高度越大，竖向荷载力也就越大，柱子作为竖向荷载力的受力构件，从而在柱中产生较大的轴力，引起轴向变形，从而可能造成连续梁中间支座的沉陷，将导致连续负弯矩值在梁中间支座处变小，而在端支座处增大，造成梁的长度发生变化。

2 高层建筑结构设计的问题

2.1 结构受力性能 建筑师开始对建筑方案进行设计时，首先要考虑的就是建筑结构空间组成特点，而不是建筑物的具体结构。在整个高层建筑物中，底面设计对空间形式的竖向力与水平力的稳定都具有重要作用。由于建筑物的构件具有大且重的特点，所以必须将这些构件的本身重量转移到地面设计中，而这些荷载在地面的作用总是向下的。了解结构体系中向下的作用力与地面的承载力两者间的关系是建筑设计的一个基本任务，因此，在对建筑进行设计时，就需要对关键的承重柱、墙的分布及数量进行总体的设计分析。

在低层、多层、高层建筑中，虽然水平荷载与竖向荷载都会共同对建筑起作用，但高层建筑与多层、低层建筑的建筑是有区别的，在低层建筑中，竖向结构体系主要就是设计的控制因素，而在高层建筑中，水平荷载力对结构设计却起着决定性的作用。其原因有，一是因为较大的垂直负荷要求较大的墙、柱或井筒；二是因为侧向负荷所产生的剪切变形和倾覆力矩较大。侧向荷载与竖向荷载相比较，侧向荷载对建筑的效力不是呈线性加大的，而是随着建筑高度的增加而加大。在高层建筑中，不仅只有抗剪的问题，还有整体抗弯和抵抗变形的问题。因此可以看出，建筑结构的受力性能，高层建筑与低层建筑之间存在很大的区别。

2.2 结构扭转问题 建筑结构具有三心，即几何形心、结构中心和刚度中心。在进行建筑方案设计时，规定这三心按照最大的要求集合在一点上，也就是三心合一。建筑结构出现扭转问题就是因为在设计时没有将这建筑三心合一，在水平荷载力的效果下建筑结构产生扭转振动效应。为了防止这种力对建筑结构造成扭转破坏，这就要求在建筑结构中的形式和平面布局进行合理的设计，最大限度的保证三心合一。

高层建筑在水平荷载的影响下，结构扭转问题由质量分布来决定其大小。为了保证建筑物水平力的均匀分布，降低建筑结构的扭转振动。建筑平面最好采用简单规则的平面形式，如方形、圆形、矩形、正多边形等。另外，一些城市在规划中对街道的设计规定和对建筑用地的限制，一些部分建筑场地比较特殊时，这就可以将建筑设计成十字形、L形、T形等不规则的平面形式，但设计时一定要合理控制宽度与厚度之间的关系。同时，在进行建筑结构平面的设置时，要让结构呈对称性状态。

2.3 结构的侧移和振动周期 建筑结构的振动周期主要指的是，一是合理控制结构的自振周期，二是在进行自振周期的控制时要将其场地的特征周期错开。

2.3.1 结构自振周期 高层建筑物的自振周期T1一般规定范围在：

框架结构：T1=（0.9～0.15）N

剪力墙、筒中结构：T1=（0.04～0.10）N

框架—剪力墙结构、框架—筒体结构：T1=（0.08～0.12）N

其中N代表了结构层数。

结构的第二、三周期最好在以下范围内：

第二周期范围：T2=（1/5～1/3）T1；第三周期范围：T3=（1/7～1/5）。

2.3.2 共振问题 如果发生地震时，建筑物本身的自振周期与建筑场地的特征周期相似时，两者间就会产生共振。所以在进行建筑设计时，要根据场地的特征对建筑的层数进行合理调整，设计出合理的建筑结构体系及类别，从而扩大两者间的周期区别，以防止共振的产生。

2.3.3 水平位移 即使水平位移符合《高层建筑》的规定，也不能说明其结构的设计是合理的，设计时还要将周期和地震大小等因素进行综合考虑。在建筑结构的抗震设计中，要考虑到地震力在结构刚度中所具有的影响，因为两者之间是具有直接关系的。如果建筑结构刚度过小，结构即使不合理，由于地震力的作用较小，对结构的位移效果也小，并且在允许的范围内，但这也不能说明建筑结构设计合理。由于建筑结构的周期性较长，地震力太小并不合理；另外，位移曲线应该持续得发生改变，除了沿竖向的刚度发生变化外，就不能出现显著的拐点。在通常情况下，结构位移曲线在不同的部位呈现出不同的形状，如剪力墙呈弯曲型；框架呈剪切型；框架—剪力墙结构、框架—筒体结构呈弯剪型。

2.4 剪重比、位移限值及单位面积重量

2.4.1 位移限制 对建筑结构的设计，要求建筑物要同时具备良好的强度及刚度，并保证将水平荷载作用的侧向变形控制在要求的范围内。而控制侧向变形的要求主要限制的是，一是对结构顶端水平位移与总高度的比值进行限制；二是对相邻两层楼盖间的相对位移与层高的比值进行限制。限制前者的比值主要是控制结构的总变形，而后者比值因在各层中的结构中会有所区别，限制最大的比值主要是控制填充墙、建筑装修体的损坏等。

2.4.2 结构的延伸 高层建筑结构除了对刚度、强度有所要求外，还要求具有良好的抗震性能。也就是说建筑结构在强震的影响下，构件在进入到屈服强度的设计中，要具有较好的塑性变形效果，也就是结构的延伸性能。结构的延伸性的系数一般在3～5之间。

2.4.3 剪重比及单位面积重度 结构在地震的作用下反应其大小的一个指标就是结构的剪重比λ=VEN/G，它的大小主要与结构地震设防烈度和结构体型有关。而衡量结构构件截面取值和楼层荷载数据输入的一个指标就是单位面积重度r=G/A（kN/m2）。这两项指标在建筑施工图设计中是非常最重要的数据，这些数据可以反映出结构体系、结构布置、电算数据输入是否合理，因此这两项指标尤其重要。

3 总结

随着建筑事业的迅速发展，高层建筑日益增多，建筑高度也在不断地增加，这也使得建筑结构朝着多样性、复杂性方向发展，在结构设计时发生遗漏或者错误都会对整个结构设计造成影响。为了保证高层建筑的安全，本文就对高层建筑结构的设计中值得重视的几个问题进行了分析，从而为有关人士提供参考。

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