摘要：当高层建筑的层数和高度增加到一定程度时，它的功能适用性、技术合理性和经济可行性都将发生质的变化。与多层建筑相比，在设计上、技术上都有许多新的问题需要加以考虑和解决。文章对影响高层建筑结构设计的各因素进行了深入的分析与探讨，为高层建筑的结构设计积累了经验。
关键词：高层建筑；结构设计；经验
引言：随着高层建筑的迅速发展，能够满足高层建筑的形式、材料、力学分析模型日趋复杂，结构体系更加多样化，高层建筑的结构设计成为结构工程师设计工作的重点和难点。本文就高层建筑结构设计与施工进行分析，供参考。
1高层建筑结构设计的特点
高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑建设的各项事宜等。其主要特点有：
1.1水平力是设计主要因素
在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑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，仅与建筑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所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，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，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。
1.2侧移成为控制指标
与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与建筑高度H的4次方成正比（△= qH4/8EI）。另外，高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗推刚度。
2 高层建筑结构设计方面的原则
2.1 选用适当的计算简结构计算式在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当则会导致结构安全的事故常常发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。
2.2 选择合适的基础方案：基础设计应根据工程地质条件，上部结构类型与载荷分布，相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析，选择经济合理的基础方案，设计时宜最大限度地发挥地基的潜力，必要时应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告，对一些缺少地质报告的建筑应进行现场查看和参考临近建筑资料。通常情况下，同一结构单元不宜用两种不同的类型。
2.3 合理选择构方案：一个合理的设计必须选择一个经济合理的结构方案，也就是要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷。同一结构单元不宜混用不同结构体系，地震区应力求平面和竖向规则。总而言之，必须对工程的设计要求、材料供应、地理环境、施工条件等情况进行综合分析，并与建筑、电、水、暖等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时应进行多方案比较，择优选用。
2.4 正确分析计算结果：在结构设计中普遍采用计算机技术，但是由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、条件等进行全面了解。在计算机辅助设计时，由于结构实际情况与程序不相符合，或人工输入有误，或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，因而要求结构工程师在拿到电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。
2.5 采取相应的构造措施：结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压若拉原则”，注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的执行段锚固长度；考虑温度应力的影响力。
3高层建筑结构设计的特点
高层建筑结构设计选择不同的结构体系，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点体现在以下几个方面：
3.1设计主要因素-水平力
高层建筑设计中，竖向荷载是影响结构设计的重要因素，起着决定性作用的是水平荷载。因为竖向荷载与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载与建筑高度的两次方成正比。另一方面，一般来说一定高度建筑，竖向荷载基本上是定值，而水平荷载的风荷载，其数值是随着结构动力性的不同而不同，并不断的变化。
3.2控制指标-侧移
结构侧移是高层建筑结构设计中的关键因素。随着楼房高度和层数的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，在水平荷载作用下的侧移，应被控制在一定限度内。
3.3抗震设计-要求更高
高层建筑结构设计需要抗震设防的，除要考虑一般的竖向荷载、风荷载，还要使结构的抗震性能好，争取做到小震不坏、大震不倒。
3.4轴向变形-不容忽视
高层建筑中，竖向荷载数值较大，往往引起较大的轴向变形，会对连续梁弯矩产生一定的影响，造成连续梁中间支座、预制构件的下料长度产生重要的影响，要求按照轴向变形计算值，调整下料的长度；对构件剪力和侧移产生的影响，同考虑构件竖向变形方面做比较，会得出偏于不安全的结果。
3.5结构延性-重要设计指标。
高层建筑结构柔一些，在地震作用下的变形也会更大。为了保证结构在进入变形阶段后依然保持很强的变形能力，特别需要对构造采取一些恰当的措施，保证结构的延性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
4高层建筑结构分析
4.1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。下面是常见的一些基本假定。
4.1.1弹性假定
目前工程上实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，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。
4.1.2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。一般来说，对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，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，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。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。
4.1.3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。二维协同分析并没有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，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的简体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉素夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度。
4.2高层建筑结构静力分析方法
4.2.1框架一剪力墙结构
框架一剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都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关系的微分方程来求解。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亦不相同。
4.2.2剪力墙结构
剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。
4.2.3筒体结构
筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析，这里主要讨论三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析简体结构体系，其中应用最广的是空间杆薄壁杆系矩阵位移法。这种方法将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构。
5高层建筑结构设计的要点
5.1 选用适当的计算简图
所谓计算简图就是将构件及支撑按结构力学进行简化，用点、线描述构件受力情况和稳定状况的图形。结构计算式在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当则会导致结构安全的事故常常发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。
5.2 选择合适的基础方案
结构设计应尽可能地发挥地基的潜力，基础设计要根据工程地质条件，上部结构类型与载荷分布，相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析，选择经济合理的基础方案，必要时应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告，对一些缺少地质报告的建筑应进行现场查看和参考临近建筑资料。
5.3 合理选择结构方案
一个合理的设计就必须要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷。同一结构单元不宜混用不同结构体系，地震区应力求平面和竖向规则。总而言之，必须对工程的设计要求、材料供应、地理环境、施工条件等情况进行综合分析，并与建筑、电、水、暖等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时应进行多方案比较，择优选用。
5.4 正确分析计算结果
因不同软件所产生的计算结果可能不同。因此设计师应对程序的适用范围、条件等进行全面了解。在计算机辅助设计时，由于结构实际情况与程序不相符合，或人工输入有误，或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，因而要求结构工程师在拿到电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。
6 结语
高层建筑结构设计复杂，高技术、高难度、高风险，需要技术工作人员潜心分析后去解决，本文简单地介绍一些高层建筑的构造及设计要点，遇到不同的问题宜融会贯通，用不同的方法去解决。
参考文献：
[1]魏仁杰《论工程抗震设防标准》
[2]张吉人.建筑结构设计施工质量控制[M].中国建筑工业出版社.2006.9.
[3]沈蒲生.楼盖结构设计原理[M].科学出版社.2003.12.
论文作者:刘海霞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/8
标签：结构论文; 荷载论文; 结构设计论文; 高层建筑论文; 简图论文; 建筑论文; 位移论文; 《基层建设》2019年第11期论文;