摘要：隨著城市化發展以及建筑用地的緊張，高層建筑將日益增多。高層建筑的結構設計不僅應保證高層建筑具有足夠的安全性，還應保證結構的經濟性、合理性。本文通過從高層建筑結構設計中的特點出發，探討了在高層建筑結構設計中應注意的三個問題。

　　關鍵詞：高層建筑  結構設計  設計特點

　　1 前言

　　高層建筑是社會經濟發展和科技進步的產物。隨著大城市的發展，城市用地緊張，市區地價日益高漲，促使近代高層建筑的出現，電梯的發明更使高層建筑越建越高。宏偉的高層建筑是經濟實力的象征，具有重要的宣傳效應，在日益激烈的商業競爭中，更扮演了重要的角色。

　　2 高層建筑結構體系的選擇

　　高層建筑結構是否合理、經濟的關鍵就是高層建筑抗側力結構體系的選擇是否合理，抗側力結構體系有框架、剪力墻、框架－剪力墻、框架－核心筒、筒中筒等。對結構選型來說，沒有普遍使用的選擇標準，往往是隨著建筑的環境、功能要求有所變化，每一選擇都有其優劣這就需要結構工程師認真地對比和考慮。例如：框架結構建筑平面布置靈活，構件類型少，設計和施工都較簡單，但其抗側剛度小，當建筑較高時，梁柱截面大，影響室內使用空間；剪力墻結構整體性好，抗側剛度大，側移小，但其平面布置不靈活，一般適用住宅及旅館；而框架－剪力墻結構則綜合了框架結構和剪力墻結構的優點，并可以設計成雙重抗側力體系，框架－剪力墻結構設計中要注意的就是剪力墻的布置要均勻，剛心與質心重合或相近，且剪力墻數量不宜過多，滿足規范的側移限值即好。框架－核心筒的受力性能與框架－剪力墻相同，由于外框架間距大，使得建筑空間大而靈活，采光好，是高層公共建筑和辦公用房的理想選擇，在高度較高時，還可以加伸臂減小側移。筒中筒結構由于柱距小近年已較少應用。

　　3 高層建筑結構設計特點

　　3.1水平荷載成為決定因素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

　　3.2軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整；另外軸向變形對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

　　3.3側移成為控制指標。與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

　　3.4結構延性是重要設計指標。相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。

　　4 高層建筑結構設計的基本原則

　　4.1以承載力、剛度、延性為主導目標，實施多道防線、剛柔結合的結構形式。即應具有一定大的剛度和承載力來抵御風荷載和小震，隨著第一道防線破壞，結構變柔后仍有足夠大的彈塑性變形能力和延性耗能能力來抵御未來可能遭遇的罕遇大震。

　　4.2在對結構進行分析計算時，應該運用最簡單、最直接、概念最清楚的計算方法，將結構的受力與傳力途徑設計成簡單、直接、明確。盡可能避免出現以抗扭為主導的關鍵性傳力構件。

　　4.3盡可能使結構平面布置的正交抗側力剛度中心(簡稱剛心)和建筑物表面力(風力)作用中心或質量重心(質心)靠近或重合，以避免或減小在風荷載或地震作用下產生的扭轉效應。

　　4.4建筑物豎向布置的抗側力剛度構件也最好設計成均勻、連續，避免出現軟弱層和上下層間的剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度的突變。

　　4.5應重視上部結構與其支承結構整體共同作用的機理，即傳力與受力結構兩者之間的共同作用；例如，在高層建筑的箱基和筏基的底板設計中，計算軟件無法進行上部結構－地下室－地基基礎的相互作用分析，計算出來的底板內力遠遠大于底板實際受到的內力。

　　5 高層建筑結構設計的設計思路

　　高層建筑結構的分析計算已基本告別傳統的手工計算而采用計算機程序計算，基本上都采用三維空間結構分析計算程序。常用的計算分析模型有：空間桿-薄壁桿件分析模型、空間桿-墻組元模型及空間桿-殼元分析模型。 有些程序可考慮樓板變形進行結構分析計算，能更真實反映復雜結構的受力特點。除可進行鋼筋混凝土結構計算外，有些計算分析軟件還可進行鋼結構、鋼-混凝土混合結構的計算。彈性動力時程分析的程序已相當成熟，一般以層模型進行動力時程分析，可輸入各種類型的地震波，求得結構的位移與內力。彈塑性分析計算近幾年已開始進行，已初步開發出一些可應用于工程設計的程序，包括彈塑性靜力分析、層模型動力分析、桿模型平面結構動力分析等程序。

　　此外我國對結構體系進行了大量的研究工作。從1974年開始對剪力墻結構進行了大量的試驗研究，逐步形成了高層剪力墻結構體系；為適應高層住宅底部設置商業服務設施等要求，從1980年開始進行了底層大空間，上層為大開間剪力墻結構體系的研究。進入八十年代，為完善筒體結構的計算方法與設計，我國進行了一些復雜的筒中筒結構的有機玻璃模型試驗。近年來對復雜體型的高層建筑如帶有轉換層、剛性層的結構錯層結構、連體結構等進行了一批模型振動臺試驗。為了解鋼-混凝土混合結構的抗震性能，進行了帶有轉換層、剛性層的鋼筋混凝土內筒、周邊為鋼框架的模型試驗。另外對復雜體型的高層建筑進行了風洞試驗。通過試驗研究與分析，提出了相應的設計建議，并作為規范條文修訂的依據。

　　在總結科研、設計、施工的基礎上，1980年頒布施行了我國自行編制的《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規定(JZ102-79)》，通過實踐應用又積累了更多的經驗，在1991年修改為《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程(JGJ3-91)》。九十年代以來由于鋼結構、鋼-混凝土混合結構的興建，1998年我國編制了《高層民用建筑鋼結構技術規程(JGJ99-98)》。由于體型復雜的高層建筑增多及超過200米的超高層建筑的出現，需對《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程(JGJ3-91)》進行修訂，修訂后名稱為《高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ3-2002)》，內容包括：總則、荷載和地震作用、常規高度結構設計的一般規定、結構計算分析、框架結構設計、剪力墻結構設計、框架-剪力墻結構設計、筒體結構設計、復雜高層建筑結構設計、混合結構設計、超高層建筑結構設計、基礎設計、高層建筑結構施工等，更適合高層建筑結構的設計應用。其中按建筑物的高度、結構體系、抗震設防烈度可確定各類構件的抗震等級，從而按各類構件的延性要求，確定各構件的截面配筋設計及構造要求，以確保其良好的抗震性能。最近又根據工程實踐經驗，及參考有關國際標準和國外先進標準，在廣泛征求意見的基礎上，修訂了《高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ3-2010)》，對高層建筑結構有了更好的規范和指導作用。

　　6 高層建筑抗震設計應注意的問題

　　在高層建筑的抗震設計中，概念設計的思想也得到延伸，所以結構工程師必須對結構地震破壞機理有深刻的認識，對地震試驗研究成果有一定的理解，這樣才能從概念上作出判斷，并采取措施。我國的抗震設防目標是"小震不壞，中震可修，大震不倒"。抗震結構構件必須有足夠大的承載能力，足夠的剛度、延性和耗能能力，以達到抗震設防目標。在同一地震作用下，剛度小的結構變形大，剛度大的結構變形小，所以，對同種材料而言，鋼筋混凝土框架結構比設置了剪力墻的鋼筋混凝土結構震害嚴重。另外，建筑的體型和結構總體布置也是在抗震設計值得特別重視的，平面形狀上宜簡單、對稱、避免過多的外伸、內凹、避免細腰

　　形和角部重疊平面；電梯、樓梯的布置盡量避免布置在端角和凹凸處；避免錯層布置等。建筑立面也應是規則、均勻、從上到下外形變化不大，沒有過多的外挑內收，避免突變。還有一點就是建筑的非結構構件與建筑主體結構必須存在可靠連接，使其在地震時不脫落，以免發生倒塌傷人。

　　7 結語

　　隨著高層建筑進一步的發展，滿足高層建筑的形式，材料，力學分析模型都將日趨復雜多元，為了革新高層建筑，體現其魅力，追求新的結構形式和更加合理的力學模型將是土木工程師們的目標和方向。

　　參考文獻：

　　[1]肖峻．高層建筑結構分析與設計[J]．中化建設，2008，（12）．

　　[2]范小平．高層建筑結構概念設計中相關的幾個問題應用分析[J]．福建建材，2008，（6）．  全