浅析高层建筑结构设计

　　摘要：结构设计是一项集结构分析、数学优化方法以及计算机技术于一体的综合性技术工作，是一项对国家建设具有重大意义的工作，同时也是一门实用性很强的工作。针对目前设计人员按传统设计法造成财产大量浪费的现状，推行能实现资源合理分配利用，节约建筑造价的结构优化设计的方法是势在必行的，同时也是刻不容缓的，文章针对日益复杂的高层建筑结构设计和选型问题进行了分析。
　　关键词:高层建筑;结构特点;结构类型;结构选型;结构分析
　　
　　1高层建筑结构特点及类型
　　1．1高层建筑结构特点
　　高层建筑的结构要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。低层结构的水平荷载对结构影响通常较小，但在高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素。高层建筑随着高度的增加，位移增加很快。然而过大的侧移会使人感觉不舒服，从而影响使用，还会造成非结构构件和结构构件的损坏。所以必须将结构的侧移控制在一定的范围之内，于是抗侧力结构设计成为高层建筑设计的关键。
　　
　　1．2高层建筑结构类型
　　钢结构的特点是强度高，韧性大，易于加工。高层建筑钢结构具有结构断面小，自重轻，抗震性能好，施工工期短，施工方便等特点。然而，高层建筑结构随着用钢量的增大，工程造价也随之提高。在发达国家，大多数高层建筑采用钢结构设计，在我国，随着建筑物高度
　　的增加，也有采用钢结构的高层建筑。由于钢筋混凝土和钢结构均各有所长，又各有所短，所以更为合理的结构是同时采用钢和钢筋混凝土材料的组合结构，这种结构可以使两种材料互相取长补短，取得经济合理、技术性能优良的效果。
　　
　　2高层建筑结构分析与设计
　　
　　2．1水平荷载成为决定因素
　　任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。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，但水平荷载却起着决定性的作用。随着高层建筑层数的增多，水平荷载成为结构设计中的控制因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中产生作用，而水平荷载也对结构产生倾覆作用，并由此产生高层建筑在竖构件中的作用力；另一方面，对高层建筑来说，竖向荷载和地震作用，也随建筑结构动力特性而发生大幅度的变化。
　　
　　2．2轴向变形不容忽视
　　对于高层建筑结构，由于层数多，高度大，轴力值很大，沿高度积累的轴向变形很显著，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。对连续梁弯矩的影响：由于中柱和边柱的轴向压缩变形不同，往往会使连续梁中间支座处的负弯矩值及跨中正弯矩值和端支座负弯矩发生变化。对构件剪力和侧移的影响，在考虑竖向杆件轴向变形与不考虑竖杆件轴向变形相比较，各构件水平剪力和侧移都会产生很大的误差。由此可见，在进行高层建筑结构设计时，构件的轴向变形必须列入到设计考虑的范围中来。
　　2．3侧移成为控制指标
　　与低层建筑不同，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，水平荷载作用下高层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度之内，确保良好的居住和工作安全。由此可见，高楼的使用功能和安全，与结构侧移的大小密切相关。
　　
　　2．4结构延性成为重要设计指标
　　与低层建筑结构相比，高层建筑结构更柔和，在地震作用下的变形度更大。为了确保高层建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，从而避免倒塌，设计人员特别需要在建筑结构设计上采取恰当的措施，来保证高层建筑结构具有足够的延性。
　　
　　3高层建筑结构选型
　　在传统的结构设计中，人们往往将注意力集中于建筑结构的力学分析、结构的设计和施工，而忽视了设计阶段前的许多更为重要的问题。根据高层建筑结构的受力特点，对高层建筑结构在概念阶段的设计显得尤为重要，该阶段设计的优缺点直接影响建筑工程整
　　体的经济性。
　　
　　3．1高层建筑结构体系选型与建筑施工的关系
　　高层建筑施工工艺的不同，不仅会影响到材料消耗、劳动力、工期及造价等技术经济指标，而且也会影响到建筑结构的受力状态，抗震性能等。所以在高层建筑结构体系选型时就要对施工工艺连同其它因素加以权衡，综合考虑。现浇钢筋混凝土高层建筑结构的造价主要包括材料、模板及施工三部分。据统计，在造价中模板的费用是最主要、最易变化的部分，它可占总造价的33％一55％，模板体系选择是否合理，不仅影响主体结构造价，而且与施工速度及劳动力消耗有着密切关系。
　　
　　3．2高层建筑结构抗震体系选定的原则
　　(1)具有明确的计算简图和合理的地震力传递路线
　　(2)具备多道抗震防线，不会因部分结构或构件失效，而导致整个体系丧失抗侧力或承受重力荷载的能力：
　　(3)具有必要的承载力、良好的延性和较多的耗能潜力，从而使结构体系遭遇地震时具有足够的防倒塌能力；
　　(4)沿水平和竖向结构的刚度和强度分布均匀，或按需要合理分布，避免出现局部削弱或突变，形成薄弱环节，从而防止地震时出现过大的应力集中或塑性变形集中的危险。在确定高层建筑方案的同时，应综合考虑房屋的重要性、设防烈度、场地类别、房屋高度、地基基础，以及材料供应和施工条件，并结合结构体系的经济、技术指标，选择最合适的结构体系。
　　
　　
　　参考文献：
　　【1】刘夏石．工程结构优化设计【M】．北京：科学出版社，2008：14～19．
　　【2】张相庭．高层建筑抗风抗震设计计算【M】．北京．中国建筑工业出版社，2007：30—33．
　　【3】李波．高层建筑侧向位移限制的研究【M】．北京：中国工业出版社，2008：100-1O3．