淺摘要：隨著高層建筑在我國的迅速發展,建筑高度的不斷增加,建筑類型與功能的愈來愈復雜,結構體系的更加多樣化,高層建筑結構設計也越來越成為結構工程師設計工作的主要重點和難點之所在。本文就高層建筑結構的設計要點
　　關鍵詞：高層建筑；設計特點；結構體系；結構分析
　　前言：
　　隨著高層建筑越來越普及,建筑高度的不斷增加,建筑類型與功能也越來越復雜,高層建筑結構設計便成為結構工程師設計工作的重點和難點。如果高層建筑結構概念設計不清,造成結構布置不合理,不僅造成大量人力和物力的浪費,更重要的是給高層建筑留下了結構質量的安全隱患。為了避免在結構設計過程中出現或少出現這些問題,高層建筑結構概念設計就顯得尤為重要。
　　一．高層建筑結構設計特點
　　1．結構內力與變形
　　隨著建筑物高度的增加,水平荷載作用下的結構側向變形迅速增大,結構頂點側移與建筑物高度的四次方成正比。所以對于高層建筑,結構側移已成為設計中的關鍵因素,這是因為:
　　（1)高層建筑的使用功能和安全與結構側移的大小密切相關。結構在陣風作用下的振動加速度超過0.015g時,就會影響樓房內使用人員的正常工作與生活,而振動加速度的大小與側移幅值的大小有關。
　　（2)過大的側向變形會使高層建筑的隔墻、圍護墻以及飾面材料開裂或損壞。
　　（3)高樓的重心位置較高,過大的側移會使P-△效應產生較大的附加應力,甚至因側移與應力的惡性循環而導致建筑物破壞。由此可見,在高層建筑結構設計時,不僅要求結構具有足夠的強度,還要求結構具有足夠的抗推剛度,使結構在水平、荷載作用下產生的側移被控制在要求的限度之內。在高層建筑中,由于層數多、荷載大,柱的軸向變形也大,而在各柱間產生差異軸向變形,將使梁中的彎矩增大,因此在結構分析時必須考慮柱的軸向變形,這也是與一般建筑結構分析的不同之處。
　　2．高層建筑結構的剛性與柔性
　　多層和高層建筑結構都要抵抗豎向及水平荷載作用,但是在高層建筑中,要使用更多的材料來抵抗水平作用,抗側力成為高層建筑結構設計的主要問題。在地震區,地震作用對高層建筑的威脅更大,地震災害將會給人民的生命財產造成巨大損失,所以抗震設計必須更加重視。
　　在高層建筑結構抗震理論和設計方法的發展過程中,存在著結構剛與柔的爭議,有的認為結構柔一些好,因為從抗震規范規定的地震反應譜曲線可以清楚地看出,場地確定后,結構愈柔,自振周期愈長,地震影響系數α越小,結構所受到的地震作用就愈小,因此在結構抗震設計時,可將結構設計得柔一些,以減小作用于結構上的地震力,從而可以用較少的材料,抗御較強的地震,既合理又經濟。但有的則認為地震區的高層建筑結構應該剛一些,使結構具有較大的承載能力,可以抵抗較強的地震,而且非結構部件的連接構造簡單,又不易破壞。從過去的地震經驗也可以看出,對于一般構造的高層建筑結構,剛比柔好,剛性結構破壞較輕,而且由于地震時的結構變形小,隔墻、圍護墻及裝飾等非結構部件將得到保護,破壞也會減輕。對于柔性結構,由于地震時將產生較大的層間側移,不但主體結構破壞較重,非結構部件也將大量遭到破壞,造成很大經濟損失,甚至有時還會危及人身安全,所以高層建筑結構應采用剛度較大的抗側力體系。
　　二．高層建筑的結構體系
　　1．剪力墻體系
　　當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時,即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中,單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結構,其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高,有一定的延性,傳力直接均勻,整體性好,抗倒塌能力強,是一種良好的結構體系,能建高度大于框架或框架—剪力墻體系。
　　2.框架—剪力墻體系
　　當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時,往往需要在建筑平面的適當位置設置較大的剪力墻來代替部分框架,便形成了框架—剪力墻體系。在承受水平力時,框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載,剪力墻主要承受水平剪力。框架—剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設置,增大了結構的側向剛度,使建筑物的水平位移減小,同時框架承受的水平剪力顯著降低且內力沿豎向的分布趨于均勻,所以框架—剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。
　　3．簡體體系
　　凡采用簡體為抗側力構件的結構體系統稱為簡體體系,包括單簡體、簡體-框架、筒中筒、多束筒等多種型式。簡體是一種空間受力構件,分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結構單體,空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。簡體體系具有很大的剛度和強度,各構件受力比較合理,抗風、抗震能力很強,往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。
　　三．高層建筑結構設計應注意的問題
　　1．結構的規則性問題
　　新舊規范在這方面的內容出現了較大的變動,新規范在這方面增添了相當多的限制條件,例如:平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等,而且,新規范采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。”因此,結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意,以避免后期施工圖設計階段工作的被動。
　　2．結構的超高問題
　　在抗震規范與高規中,對結構的總高度都有嚴格的限制,尤其是新規范中針對以前的超高問題,除了將原來的限制高度設定為A級高度的建筑外,增加了B級高度的建筑,因此,必須對結構的該項控制因素嚴格注意,一旦結構為B級高度建筑或超過了B級高度,其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中,出現過由于結構類型的變更而忽略該問題,導致施工圖審查時未予通過,必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況,對工程工期、造價等整體規劃的影響相當巨大。
　　3．嵌固端的設置問題
　　由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防,嵌固端有可能設置在地下室頂板,也有可能設置在人防頂板等位置,因此,在這個問題上,結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面,如:嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協調等等問題,而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。
　　4．短肢剪力墻的設置問題
　　在新規范中,對墻肢截面高厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻,且根據實驗數據和實際經驗,對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制,因此,在高層建筑設計中,結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻,以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。
　　三．高層建筑結構分析
　　1．彈性假定
　　目前工程上實用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下,結構通常處于彈性工作階段,這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時,高層建筑結構往往會產生較大的位移,出現裂縫,進入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計算內力和位移時不能反映結構的真實工作狀態的,應按彈塑性動力分析方法進行設計。
　　2．小變形假定
　　小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題(P-△效應)進行了一些研究。一般認為,當頂點水平位移與建筑物高度H的比值△/H>1/500時,P-△效應的影響就不能忽視了。
　　3．剛性樓板假定
　　許多高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內的剛度無限大,而平面外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少了結構位移的自由度,簡化了計算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計算簡體結構提供了條件。一般來說,對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。
　　結束語
　　總之，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工程師的目標和方向。高層建筑結構設計是一個長期、復雜甚至循環往復的過程,任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設計過程變得更加復雜或使設計結果存在不安全因素。
　　參考文獻
　　[1]GB50011-2001,建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社
　　[2]JGJ3-2002,高層建筑混凝土結構設計規程[S]北京:中國建筑工業出版社,2002.
　　[3]建筑結構設計資料集.中國建筑工業出版社.