对高层建筑结构设计的探讨
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摘要：结构设计是一项综合性技术工作，也是一项对国家建设有重大意义的工作。只有把握建筑结构设计要点，对计算结果作出正确的分析和判断，采取相应处理方法进行必要的调整完善，才能设计出高质量、高品质的工程，本文就高层建筑结构设计做一阐述。
关键词：高层 建筑结构 设计
建筑的结构设计的任务复杂繁重，设计人员应当认真学习规范，努力提高理论知识，依据工程的实际情况，结合自己的实践经验，把握工程设计要点，提高对结构设计问题的防治能力，使结构设计工作做行更安全、更合理，下面就高层建筑结构设计中值得注意的几个问题进行探讨。
1、高层建筑基础的选型问题。高层建筑应选用整体性好、能满足地基承载力和建筑物允许变形要求、并能调节不均匀沉降的基础形式，达到安全实用和经济合理的目的。一般有筏板基础、箱形基础、条形交叉梁基础等。应根据上部结构类型、层数、荷载及地基承载力选用合理的基础形式。筏形基础有梁板式和平板式，当建筑物层数较多，地下室柱距较大、基底反力很大时，宜优先选用平板式。采用梁板式筏基时，基础梁截面大必然增加基础埋置深度，当水位高时更为不利，梁板的混凝土需分层浇筑，梁支模费事，因而增长工期，综合经济效益反而比平板式差。筏形基础的双向底板的厚度，除满足正截面承载力外，主要由冲切、剪切承载力确定。
高层建筑应尽量采用规则的平面布置和立面造型。在建筑方案设计阶段，应提倡平、立面简单对称。震害表明，简单、对称的结构体形在地震时较不容易破坏。简单、对称的结构容易估计其他震时的反应，容易采取抗震构造措施和进行细部处理。在方案设计时，首先应符合抗震概念设计，宜采用规则的建筑设计方案，避免采用不规则的设计方案。在体型上简单、抗侧力体系的刚度和承载力上下变化应连续。在平面、竖向没有明显的、突出的突变，并应尽量避免整体扭转不均匀的现象出现，使质量中心和刚度中心基本相重合。
2、地基与基础设计。地基与基础设计一直是结构工程师比较重视的方面，同时，也是因为地基基础也是整个工程造价的决定性因素。因此，在高层建筑的地基基础设计中，应综合考虑建筑场地的地质状况及水位、上部结构类型、使用功能、施工条件以及相邻建筑的相互影响等因素，以保证建筑物不致发生过量沉降或倾斜，并能满足正常使用要求。还应注意了解相邻地下构筑物及各类地下设施的位置和标高，以保证基础的安全性和确保施工中不发生问题。同时，由于我国幅员辽阔，地质条件相当复杂，作为国家标准，《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)，无法对全国各地的地基基础都进行详细的描述和规定。因此，在进行地基基础设计时，一定要对地方规范进行深入地学习，以避免对整个结构设计或后期设计工作造成较大的影响。
3、高层建筑结构平面及立面形式的选择。在高层建筑结构设计中，应尽量使建筑的几何形心、刚度中心、结构重心尽可能汇于一点。如若在结构设计中没有做到三心合一，由此就会产生扭转问题。扭转问题就是结构在水平荷载作用下发生的扭转振动效应。扭转振动效应在风载等水平荷载载荷情况下会对结构产生危害，为避免其危害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，所以平面和立面形式的选择很关键。高层建筑的平面宜采用简单、规则、对称的形状，避免过于复杂的平面形式，高层建筑物平面布置不对称、过多的外凸、内凹等复杂形式都容易造成震害。在高层结构的抗震设计中，结构体系的选择、布置、构造措施比软件的计算结果是否精确更能影响结构的安全。在不对称结构中，结构在凹凸拐角等处容易造成应力集中而遭到破坏，所以应尽量避免。而在完全对称的结构中，也应注意凸出部分的尺寸比例。如凸出部分较长，要在结构设计中采取相应的补救措施。结构的竖向布置要尽力做到刚度均匀且连续，避免结构的刚度突变和出现软弱层。
4、提高结构重要部位的延性。要使高层建筑在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力，最理想的办法是使结构中所有的构件都具有很高的延性。比较经济的办法是有选择有重点的提高结构中重要构件或某些构件中关键部位的延性。在结构竖向，对于刚度沿高度均匀分布的、体形较简单的高层建筑，应着重提高底层构件的延性；对于大底盘高层建筑，应着重提高主楼与裙房顶面相衔接的楼层中构件的延性；对于不规则立面的高层建筑，应着重加强体形突变处楼层构件的延性。在结构平面位置上，应该着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处构件的延性。
5、注重抗震设计。在强震作用下，结构的内力是按照各构件的实际承载力进行分配的，而构件实际承载力的大小和构件截面的实际配筋有关。要使结构能进入弹塑性状态，并能通过结构的塑性变形吸收地震能量、抗御更高烈度的地震，就必须做到“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”，才能使结构在进入弹塑性状态后形成合理的延性较大的屈服机制。值得注意的一个问题是在实际设计时，对某些构件的配筋进行放大调整，形成了强梁弱柱、强杆件弱节点的不利情况，这样做的结果可以保证构件小震不坏，但是因为形不成延性结构就不能保证大震不倒。强震时结构的耗能能力和抗震性能都会变得很差，处于不安全状态。因此在设计工作中，必须注意构件截面纵向钢筋的超配现象，同时也要注意材料的超强问题。同时，高层钢筋混凝土结构的结构体系以刚度大一些为好。因此，在需要抗震设防的高层建筑中，尽可能不采用纯框架体系，可以采用框架一剪力墙、剪力墙或筒体结构体系，要根据我国的具体条件进一步总结对高层建筑的刚度要求，以便能够更经济合理地布置剪力墙及筒体等抗侧力构件。
6、高层的连梁设计。根据《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》的规定，在内力和位移计算时，其构件可采用弹性刚度，在框架―剪力墙结构中，连梁刚度可予以折减。因此，处理连梁超筋或截面控制超过剪压比的首要方法是选好刚度折减系数。当连梁刚度折减后，部分楼层的连梁仍然不满足要求时，可采用内调幅，调幅不宜超过20%。但应满足抗震设计强剪弱弯的要求，在满足剪压比限值的条件下，配置足够的箍筋。当连梁超筋较多时，可采取下列措施：当结构刚度较大、位移较小时，可适当减小连梁的高度，使连梁的弯矩及剪力迅速减小。高层建筑结构受力情况和低层建筑有着截然不同的性质，在进行结构设计时侧重点和低层建筑也不尽相同，需要特别注意结构扭转、振动周期、轴压比等若干问题。
7、剪力墙结构设计。剪力墙结构房屋是将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构，它既承担垂直荷载、也抵抗水平力。因剪力墙是一整处高大的墙体、侧面又有刚性楼盖的支撑，故在其自身平面内有很大的侧向刚度，属于刚性结构。剪力墙结构的侧向刚度大，在水平荷载作用下的侧移量少，故能适用于较高（15至35层）的高层房屋。剪力墙结构的缺点和局限性也是很明显的，主要是剪力墙间距不能太大、平面布置不灵活、不能满足公共建筑的使用要求、结构自重较大。此外，由于剪力墙结构刚度大、吸引的地震力也大。若在配饰和构造上处理不当，在强烈地震下，可能出现整体倾复或在受力大的部位产生严重破坏。
参考文献：
[1]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例[M].北京:中国建筑工业出版社.2004.
[2]高层建筑混凝土结构技术规程( JGJ3-2002) [S].北京:中国建筑工业出版社.2002