高层建筑结构设计要点与常见问题探讨

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，建筑类型与功能愈来愈复杂，结构体系的更加多样化，高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。本文就高层建筑结构设计的特点和高层建筑的结构变形特点进行分析，并对设计过程中常见问题进行解析。

关键词：高层建筑设计;设计分析;常见问题探讨;

一. 高层建筑结构设计特点

1.1 水平荷载成为决定因素

一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向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;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比;另一方面，对一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

1.2 轴向变形不容忽视

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大;还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整;另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

1.3 侧移成为控制指标

与较低楼房不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，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。

1.4 结构延性是重要设计指标

相对于较低楼房而言, 高层建筑结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构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取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

二.高层建筑结构的变形特点

在竖向荷载作用下，高层建筑结构的变形主要是竖向构件的压缩变形。由于各竖向构件的应力大小不同，因而其压缩变形大小也不同。在钢筋混凝土结构中，由于在施工过程中的找平，同时由于各竖向构件的基底轴力大小不同，若不对基底应力进行调整，也可能导致基础产生不均匀沉降。在水平荷载作用下，高层建筑结构最大的顶点位移为：水平均布荷载△ max=qH4/8EI，倒三角形水平荷载max=11qH4/120EI，式中EI 为结构，从以上可看出，结构顶点位移与其总高度的四次方成正比。则又比水平荷载作用下的内力累积效应增加更快，这就说明，高层建筑结构对结构的水平侧移是相当敏感的。水平荷载作用下所引起的结构内力及侧移是高层建筑结构设计的主要控制因素。所以结构应具备较大的抗侧度，而不仅仅满足强度、刚度和稳定要求。

三. 高层建筑结构分析

3.1 高层建筑结构分析的基本假定

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件(框架、剪力墙、筒体等)通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系，要想完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。以下是常见的一些基本假定：

(1 )弹性假定：目前，工程上使用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是，在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移而出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。如果此时仍按弹性方法计算内力和位移，则不能反映结构的真实工作状态，而应按弹塑性动力分析方法进行设计。

(2 )小变形假定：小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。有不少研究人员对几何非线性问题(P -Δ效应)进行了研究。一般认为，当顶点水平位移Δ与建筑物高度H 的比值Δ/H > 1 /500时，则P -Δ效应的影响就不能忽视。

(3 )刚性楼板假定：许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法，并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般来讲，对于框架体系和剪力墙体系，采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，如楼板刚度较小、主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，则楼板变形的影响较大，特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可对这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。

(4 )计算图形的假定：高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形主要是三维空间分析。二维协同分析并未考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调(竖向位移和转角的协调)，而且忽略了抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度，对于具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6 个自由度;按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲。

3.2 高层建筑结构静力分析方法

(1)框架- 剪力墙结构：框架- 剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大多采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式也不相同。框架- 剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。

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