浅谈高层建筑结构设计及应用
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摘要：城市建筑及建筑产业的发展越来越迅速，而高层建筑的功能、结构也呈现出越来越多样化的特点，各种结构的创新技术层出不穷，丰富了高层建筑的结构形式，相应的结构设计也由传统单一的设计指标向着多元化的以性能为基础的方向发展。本文就针对高层建筑的结构设计与应用展开讨论。
关键词：高层建筑；结构设计；应用
一、结构设计的涵义与特点
（一）结构设计涵义
建筑设计过程中，结构设计是其中一个重要的因素。而建筑结构设计发展到现在，与传统的结构支撑早已不可同日而语，结构形态的表现性受到越来越多设计师的重视。在建筑创作中，进行形态构思最重要的方法之一即为结构表现，其对于建筑结构中艺术因素的发掘更为注重，通过这种方法找出结构与艺术的结合点，将抽象的结构概念变为生动的建筑语言。
（二）高层建筑结构设计的主要特点
与低层、多层建筑结构相比，高层建筑结构设计在各种专业设计中的地位更加重要，作用更加突出。结构体系选择不同，会对建筑平面的布置、楼层高度、立面体形以及施工技术、工期长短和造价水平等产生直接的影响。高层建筑结构设计的主要特点体现在以下几个方面：
1、水平力设计是主要因素
与低层、多层建筑结构设计中竖向荷载对结构设计起着决定性作用不同，高层建筑中竖向荷载虽然对结构设计仍然有着重要的影响，但是起着决定作用的却是水平荷载。由于建筑自重与楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴和与弯矩数值，只是和建筑高度的一次方成正比；而水平荷载会对结构产生倾覆力矩，并且由此在竖向构件中还会引起轴力作用，其与建筑高度的两次方成正比。此外，如果建筑的高度达到一定水平，竖向荷载大多数为定值，而风荷载与地震作用均为水平荷载，结构动力性不同会对其数值产生较大的影响。
2、侧移为控制指标
与低层楼房不同，结构侧移是高楼结构设计中至为关键的因素。楼房的高度越大，其受到水平荷载作用时，结构的侧移变形会快速增加，所以结构在受到水平荷载的作用时，其侧移量要被控制在一定的限度内。
3、抗震设计要求更高
在进行高层建筑的抗震设计时，不仅要将正常使用过程中的竖向荷载、风荷载等因素考虑进来，而且还要保证结构良好的抗震性能，尽量做到小震不坏、大震不倒的要求。
4、轴向变形
在高层建筑设计中，竖向荷载比较大，足以在柱中引起比较大的轴向变形，从而连续染弯矩会受到其作用，导致连续梁中支座处的负弯矩值变小，而跨中正弯矩的和――端支座负弯矩值会增大；而且预制构件的下料长度也会受到其影响，要按照轴向变形计算值调整下料的长度；此外，构件的侧移与剪力均会产生影响，相比构件竖向变形来说，其结果为偏于不安垒。
5、结构延性为重要的设计指标
与低层楼房相比。高楼的结构相对更“柔”一些，在受到地震的作用时，其变形幅度会更大。为了保证结构在进入塑性变形范围后其变形能力仍有较强的水平，防止倒塌，就要在构造上采取相应的措施，以保证结构较好的延性。
二、高层建筑结构设计的主要步骤
（一）确定合理的基础设计方案
在进行高层建筑的基础设计过程中，要结合当地的地质条件、荷载的具体分布、上部的结构类型以及相邻建筑的影响和施工条件等各项因素进行分析，选择合理性、经济性的基础方案。在设计过程中，地基的潜力要充分发掘，如有必要要对地基的变形进行计算。在基础设计过程中，地质勘察材料就已经完整的形成，如果建筑缺乏相应的地质报告，则要到现场查看，邻近的建筑物资料也可作为参考。
（二）确定最佳结构方案
一个成功的建筑结构设计，一定是最经济、最合理的方案。结构体系的设计不但要明确其受力，还要便于传力，不同的结构体系不可混用于相同的结构单元。所以在进行结构设讲地，工程的设计要求、施工情况以及材料供应等均要作用综合分析的因素，与水、电、暖等同时进行协商，以此为基础进行结构的选型，最终确定出最佳方案。
（三）确定适用的计算简图
结构计算是以计算简图为基础的，而实际结构设计中因为计算简图的不合理而导致结构不安全的问题时有发生，因此，计算简图的适用性、合量性也是保证结构安全的重要因素之一。由于实际结构的节点不是单纯的刚结，因此计算简图要有相应的构造来保证，不过其误差不可超出相关标准规定的范围。
（四）分析计算结果
现在计算机技术在高层建筑的结构设计中得到了广泛的应用，但是由于其软件种类众多，不同类型的软件由于其算法不同，有可以得出不同的计算结果。因此设计人员在利用计算时，如果发现程序和某个结构的实际情况不符，或者存在人工输入的错误，甚至软件自身的缺陷等都要及时查找原因并纠正，以保证计算结果的准确性。
（五）采用合理的构造方法
高层建筑结构设计的过程中，要对构件的延性尤为注意，对其薄弱位置更加关注。钢筋锚固的长度要注意，尤其是钢筋直线段的锚固长度，而且温度应力对其所造成的影响也要考虑进去。此外，平面、立面的布置要遵循对称、均匀、规范的原则，尽量不要出现薄弱部分，并且要通过极限状态做验算。
三、高层建筑结构的选型设计
高层建筑结构的选型设计主要做好以下三点：
（一）结构的规则性
因为新旧规范在规则性方面所做的规定有较大的变化，新规范中限制因素更多，比如平面规则性方面的信息、嵌固端上下层间的刚度比信息等等。而且新规范中对建筑物不可例用严重不规则的设计方案做了强制性的规定，因此设计人员要对这些限制条件特别注意。
（二）结构的超高性
在针对超高问题时，新规范不仅将原有的限制高度设为A级高度，而且还增加了B级高度建筑。因此高层建筑的结构设计中，要特别注意这一控制因素。如果结构高度为B级，或者大于B级，相应的其设计方法、处理方法的变化幅度将会比较大。在实际的工程设计中，曾经出现由于结构类型变更对该问题有所忽略的现象，导致施工图审图未通过，需重新设计，这对于工程的工期及投资成本均有较大影响。
（三）嵌固端的设置
由于高层建筑通常均附带二层或者以上的人防工程和地下室，嵌固端往往被设置于地下室的顶板之上，或者被设置于人防顶板上。因此针对该问题设计人员要特别注意，比如对嵌固端楼板的设计、限制嵌固端上下层的刚度比、进行结构整体运算的过程中做好嵌固端的设置等等。如果其中任意条件被忽略，均有可能造成工程的安全隐患。
四、高层建筑的抗震设计
高层建筑不仅要承担必要的建筑垂直荷载，而且还要承受侧向风荷载以及地震的冲击。高层建筑结构中，在高度方向上的每一层其抗侧力刚度均有所不同，因此在建筑物多层之间，往往会有一些层面抗侧力相对薄弱，这些部分也是侧向变形和应力的集中处。所以在建筑结构设计过程中，要尽量避免这种问题。此外，建筑各相邻层面间的刚度偏心矩会发生变化，在设计过程中要尽量减少这种变化。比如我国现行的抗震设计规范对建筑物的抗震能车就提出了设防要求以及两阶段的设计方式，其中第一阶段的设计要采用第一水准烈度的地震动参数，在建筑结构处于弹性状态时，将其地震效应、构件截面准确的计算出来。在第二阶段时，要应用第三水准烈度的地震参数核算出结构的薄弱层，或者对部分薄弱环节进行侧向位移或者转角，以保证设计值在规范要求的限值范围内。
参考文献：
[1]廉晓飞.高层建筑结构[D].哈尔滨：哈尔滨建筑大学，2008
[2]吴景祥.高层建筑设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007
[3]抱世华,方鄂华.高层结构设计[M].北京：北京清华大学出版社，2007
[4]赵西安.钢筋混凝土高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2009
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