高层建筑结构设计常见问题与展望分析
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【摘要】建筑工程质量的优劣关系到人们的生命安全， 建筑质量主要由设计质量和施工质量两个方面来衡量。建筑结构设计是一项繁重而又责任重大的工作， 直接影响到建筑物的安全、 适用、 经济和合理性。本文就结构设计的特点、结构选型、结构计算、扭转问题、侧向位移几方面要注意的问题进行了分析。
建筑结构是支撑和满足建筑空间环境及功能的力学体系，结构设计是一门历史悠久而古老的学科，并随着科学技术及新材料的发展而不断进步。轻质高强材料的开发及新的设计计算理论的发展，抗风和抗震理论的不断完善，加之新的施工技术和设备的不断涌现，特别是计算机的普及和应用以及结构分析手段的不断提高，为迅速发展高层建筑提供了必要的技术条件。
1 高层建筑结构设计特点
1.1 决定因素――水平荷载。因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比。
1.2 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，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大。
1.3 控制指标――侧移。随着楼房高度的增加， 水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
2 高层建筑结构受力性能
往往建筑师对于一个建筑物考虑更多的是它的空间组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。对于低层、多层和高层建筑，竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的，但是，随着高度的不断增加，竖向结构体系成为设计的控制因素，其原因有两个：其一，较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒；其二，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。与竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的，而随建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比，而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比，地震的作用效应更加明显。在高层建筑中，问题不仅仅是抗剪，而更重要的是整体抗弯和抵抗变形，可见，高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异。
3 针对不同类型的高层建筑，合理选择相应的结构体系
3.1 结构的规则性问题
在此新规范在这方面增添了相当多的限制条件， 例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案”。因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
3.2 结构的超高问题
我国对于抗震规范与高规中，对结构的总高度都有严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为 A 级高度的建筑外，增加了B级高度的建筑， 因此，必须对结构的该项控制因素严格注意，一旦结构为 B级高度建筑甚或超过了 B 级高度，其设计方法和处理措施将有较大的变化。 在实际工程设计中， 出现过由于结构类型的变更而忽略该问题， 导致施工图审查时未予通过， 必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、 造价等整体规划的影响相当巨大。
3.3 嵌固端的设置问题
通常高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计 嵌固端上下层刚度比的限制 嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
3.4 短肢剪力墙的设置问题
从新规范中看出，对墙肢截面高厚比为 5～8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
4 高层建筑结构设计中的侧移和振动周期问题
高层建筑结构设计中的侧移和振动周期建筑结构的振动周期问题包含两方面：①合理控制结构的自振周期；②控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。
4.1 结构自振周期 高层建筑的自振周期（T1）宜在下列范围内：
框架结构： T1= （0.1 一 0.15） N
框一剪、框一筒结构：T1= （0.08―0.12） N
剪力墙、筒中筒结构：T1= （0.04―0.10) N；N 为结构层数。
结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内：
第二周期： T2= （1/3―1/5） T1
第三周期： T2= （1/5―1/7） T1
4.2 共振问题
当建筑场地发生地震时，如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近，建筑物和场地就会发生共振。 因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期， 通过调整结构的层数， 选择合适的结构类别和结构体系，扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别， 避免共振的发生。
5 高层建筑结构设计中的扭转问题
建筑三心分别为建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心,在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点,即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一,在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏,应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局,尽可能地使建筑物做到三心合一。
在水平荷载作用下,高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀,减轻结构的扭转振动,应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简面形式。在某些情况下,由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制,高层建筑不可能全部采用简面形式,当需要采用不规则L 形、T 形、十字形等比较复杂的平面形式时,应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内,同时,在结构平面布置时,应尽可能使结构处于对称状态。
6 侧向位移的限值
由于高层建筑结构的水平位移随着高度增长而迅速变大，为防止位移过大，规范对顶点位移和层间位移都作了一定的限制。 控制顶点位移u/H的主要目的是保证建筑内人体有舒适感和防止房屋在罕遇地震时倒塌。但控制房屋在罕遇地震时倒塌与否的条件是结构极限变形能力而不是u/H限值。另外， 为使结构具有较好的防倒塌能力， 应在结构计算中考虑相关效应。控制层间位移u/H的主要目的是防止填充墙、 装饰物等非结构构件的开裂和损坏。
7 建筑结构设计的发展展望
7.1 概念设计将发挥越来越大的作用。 概念设计是指正确地解决总体方案、材料使用和细部构造的问题，以达到合理抗震设计的目的。 概念设计是根据抗震设计的复杂性、 难以精确计算而提出来的一种从宏观上实现合理抗震， 避免不必要的繁琐计算， 同时为抗震设计创造有利条件，使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况的设计方法。
7.2 采用先进的计算理论。空间受力分析，非弹性变形分析，塑性内力分析，由加载到破坏的全过程受力分析，时程分析，最优化设计，方案优化等先进科学的设计方法、设计理论将得到越来越多的应用。
总而言之，结构工程师是结构设计革命的推动者和执行者。高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程， 任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。 我们结构设计人员应不断加强对常见结构设计错误的辨别能力，使建筑的结构设计更安全、更合理。