摘要：伴随着国民经济的快速发展,加上科学技术的不断进步,我国高层建筑行业取得了重大的突破。高层建筑结构设计是否合理,不仅仅影响到高层建筑实施施工,而且还直接影响到高层建筑建设以及后期养护的顺利开展。文章阐述了高层建筑结构设计的特点，并结合案例对高层结构设计的相关注意问题进行分析。
关键词：高层建筑；结构；特点；注意事项
1.高层结构设计的特点
1.1 充分重视轴向变形
高层建筑的竖向的荷载非常大，在柱中会引起明显的轴向变形，当设计中未充分考虑轴向变形的影响的话，会引起结构的次生内力。如一端与柱相连、一端正与墙相连的梁，由于柱竖向应力大，竖向变形也大，梁段会发生弯曲内力向墙端处转移的现象，从而引起梁端过早开裂，发生刚度退化现象。
1.2 水平荷载是设计的决定因素
水平荷载对高层建筑影响表现在:（1）产生侧向位移，侧向位移产生挤压或拉伸会使填充墙或建筑装修以及建筑主体结构出现裂缝或损坏并且侧向位移使得结构产生附加内力，由侧向位移过大而引起的附加内力超过一定数值会引起结构的倒塌。（2）产生扭转反应，由于高层建筑质量的不均匀变化，结构刚度计算的局限性以及抗扭构件的非对称，高层建筑无论在风振作用下还是在地震作用下，都很容易产生扭转反应，而大多数情况下，扭转振动和侧向位移之间还会发生偶联反应，从而使得动力作用放大，加剧建筑物的损坏甚至引起建筑物的倒塌。
在高层结构中，竖向荷载在竖构件中引起的轴向力N，水平荷载q 对结构产生的倾覆力矩M，与房屋高度H 存在着如下的关系式。
竖向荷载 N =WH（1-1）
水平均布荷载 M = 1/2qH2 （1-2）
水平倒三角形荷载 M = 1/3q H2（1-3）
式中，q、W——分别为作用于楼房每米高度上的水平荷载和竖向荷载(kN/m)。
1.3 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。
2.高层结构设计中的相关注意事项
2.1 工程概况
某项目建筑面积为33819.0m2，地下2 层为停车库，地上1~3 层为商业，4~30 层为住宅，顶部设有出屋面电梯机房及水箱间，采用框架—剪力墙结构。抗震设防烈度8 度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组，建筑物场地土类别为Ⅱ类，基本风压Wo=0.40kN/m2。该建筑地下室～4 层剪力墙厚度为：350mm；6 层～12 层剪力墙厚度为：300mm；13层～21 层剪力墙厚度为：250mm；22 层～屋顶剪力墙厚度为：200mm；楼、电梯间剪力墙厚均为250mm 和160mm。基础型式为桩和承台联合基础。
2 结构体系选型
建筑物结构形式的选择对建筑的使用功能、结构可靠性、建筑的抗震性能、工程造价等具有很大影响。因而在结构设计中体系选型显得十分重要。剪力墙结构是一种由钢筋混凝土墙体作为抗侧力单元，同时承担竖向荷载和地震作用的一种结构体系；它刚度大，空间整体性好，用钢量较省；可以很好地适应墙体较多、房间面积不大的特点，故在高层住宅中应用极为普遍。但剪力墙结构墙体较多，不能布置商店和公共设施等面积较大的房间。
框支剪力墙结构是一种将部分底层或部分层的剪力墙取消，代之以框架的结构体系；其主要是为了满足在底层布置门厅、餐厅、会议室等大面积公共用房的要求，以及在住宅楼底层布置商店和公共设施的要求。
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但框支剪力墙结构，底层柱的刚度小，上部剪力墙刚度大，形成上下刚度突变，在地震作用下底层柱会产生很大内力及塑性变形，对结构抗震性能极为不利；并且其转换层的混凝土和钢筋用量一般都很大，其工程造价很不经济。因此，在地震区不宜采用框支剪力墙结构。
框架-剪力墙结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，可以组成框架-剪力墙结构的一种结构体系，这种结构既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，因而广泛地应用于高层建筑中的办公楼和旅馆等。
本工程针对其具体情况，做多方案比较，最终确定了框架-剪力墙结构体系；既能满足了上部住宅楼、底部商业用房的建筑使用功能要求，又能满足建筑物在高烈度区的安全可靠性，同时这种结构形式也是较为经济合理的，可有效的控制工程造价。
3 基础及地基处理的设计
高层建筑基础的合理选型与设计是整个结构设计中的一个极其重要和非常关键的部分。基础的工程造价在高层建筑整个工程造价中所占的比例较高，尤其在地质条件比较复杂的情况下更是如此。所以选用合理的基础形式或地基处理方式，对降低工程造价起着至关重要的作用。
该工程地基承载力特征值为200kPa，天然地基不能满足设计要求，根据工程地质勘察报告，可采取钻孔灌注桩或预应力管桩。由于场地为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅱ级（中等），建议首先采用素土挤密桩对湿陷性土层进行处理。考虑甲方施工工期紧的情况，经过多方经济比较，最终取消了素土挤密桩处理，而是直接采用机械旋挖成孔的钢筋混凝土灌注桩穿越湿陷性土层。根据西安当地经验，旋挖成孔技术可提高灌注桩的承载力约20~50%，这就大大节约了施工时间，并减少了素土桩施工费用，而灌注桩所增加的桩长却很小。本工程桩基承台此次采用底平，主要是为了使位于地下室的设备管线埋设在各个承台之间的空隙，而不占用建筑面层。这样可大大减小基坑的开挖深度，减小工程量，从而降低工程造价。
4 结构设计
本工程通过抗侧力构件的合理布置，在地震作用下，使结构的各项目标参数均符合规范要求的前提下，不断优化，尽量减少剪力墙的数量和厚度，使结构在X、Y 两个方向刚度基本接近，两个方向水平位移均接近规范限值，结构布置更加经济合理。从承载力方面来看，使框架、剪力墙的作用得到充分的发挥；从地震作用来看，减小了结构的侧向刚度，并因此减轻了建筑的自重，从而减小了结构的地震作用；也相应减少了基础工程的投资。
本工程楼层最大位移（楼层最大值层间位移角）：X 方向地震力作用下的楼层最大值层间位移角：1/1084；Y 方向地震力作用下的楼层最大值层间位移角：1/859；满足了抗震规范与高规规定的剪力墙结构楼层最大值层间位移角限值均为：1/800 的要求。
5 材料选用
5.1 采用高强度钢筋
在满足结构设计承载力要求的前提下，选择相对造价低的钢筋方案，可以达到降低工程造价的目的。大多数设计人员一般把重点放在配筋的计算上，往往忽视钢筋种类的选择。新Ⅲ级钢筋是近年来推广使用的新型钢筋，它比普通Ⅱ级钢筋提高强度近20%，每吨价格增加不超过10%。因此新Ⅲ级钢筋的选用，在增加钢筋混凝土结构强度和建筑物安全储备的同时，还节省了用钢量。另外，钢筋的连接宜优先采用闪光对焊，且普通焊接或电渣压力焊接比搭接经济。
本工程基础和梁、柱及板配筋等大部分均采用HRB400 级钢筋， HRB400 级钢筋强度设计值与HRB335 级钢筋强度设计值之比360/300=1.2；据资料统计，用强度高的HRB400 级钢筋取代强度低的HRB335 级钢筋可节约钢材约14%，这是降低钢筋用量最直接的措施。
5.2 采用轻质隔墙
本工程为减轻荷载，内隔墙采用轻质石膏板内隔墙体系，与轻质砌块隔墙相比，轻质石膏板内隔墙体系具有自重轻、干法作业，安装效率高，易于拆改、施工快捷，缩短工期的优点，近年来在高层住宅建筑中得以广泛应用。以99mm 厚的轻质石膏板隔墙为例，其重量为23kg/m2，是相同厚度砌块隔墙重量的28%，可显著节省建筑承重结构和基础费用，降低土建结构造价。
6.结束语
随着城市化进程的加快，城市规划中对空间规划有了一定的需求，高层建筑结构已越来越成为城市建筑的重点，在结构设置过程中，高层建筑结构因较多层建筑会给施工带来较多的复杂性，因此在设计中要综合多方面的因素进行考虑，对各部位的受力情况及参数的选取要进行仔细的分析和研究，从而保证高层建筑物的结构设计稳定，以免留下设计中的安全隐患，从而保证高层建筑的安全性。
参考文献
[1]杨新.浅谈钢筋混凝土高层结构设计常见问题[J].中华民居，2011(6)
[2]梁杰斌.钢筋混凝土高层结构设计常见问题探讨[J].城市建设理论研究，2012(14)
论文作者:翟浩荣
论文发表刊物:《基层建设》2016年27期
论文发表时间:2017/1/4
标签：结构论文; 荷载论文; 钢筋论文; 剪力墙论文; 位移论文; 高层建筑论文; 刚度论文; 《基层建设》2016年27期论文;