浅析高层建筑结构设计中的几点问题
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摘要: 高层建筑是个复杂的系统工程,结构工程师需要重视结构计算的准确性，要和建筑师在设计中相互配合，只有具备优秀的设计，才能创建优质的工程。
近年来，随着经济飞速发展，建设用地日趋紧张，促使高层建筑得以快速发展。加之新的施工技术和设备的不断涌现，计算机的普及和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。本文对高层建筑结构计算、扭转问题及结构刚度等几个问题进行分析。
一、 结构计算与分析
结构计算与分析阶段，是决定工程设计质量好坏的关键。由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分有了很多的调整和改进，因此，结构工程师也应该相当地对这一阶段常见的问题有一定的认识。
（一）结构计算的软件选择
目前，比较常用的计算软件有：SATWE、TAT、TBSA、SAP 等，但是，由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异，因此导致了各软件的计算结果有偏大或偏小。所以，在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件，并从不同软件相差较大的计算结果中进行判断分析，这将是结构工程师在设计工作中首要的工作。否则，不但会浪费大量的时间和精力，而且有可能使结构有不安全的隐患存在。
（二） 振型数目的取值
在新规范中增加一个振型参与系数的概念处理措施进行设计。并明确提出了该参数的限值。由于在旧规范设计中，并未提出振型参与系数的概念，或即使有该概念，该参数的限值也未必一定符合新规范的要求，因此，在计算分析阶段必须对计算结果中该参数的结果进行判断，并决定是否要调整振型数目的取值。
（三）多塔之间地震力计算
随着高层建筑的讯速发展，多塔楼的建筑类型大量涌现，而在计算分析该类型建筑时，是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算，是结构工程师必须注意的问题。如果多塔间刚度相差较大，就有可能出现即使振型参与系数满足要求，但是对某一座塔楼的地震力计算误差仍然有可能较大，从而使结构出现不安全的隐患。
（四）非结构构件的计算与设计
在建筑中，往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。对这部分内容，尤其是建筑屋顶处的装饰构件进行设计时，由于建筑的地震作用和风荷载均较大，因此，必须严格按照新规范中增加的非结构构件的计算处理措施进行设计。
二、 高层建筑结构设计中的扭转问题
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。
建筑结构的振动周期问题包括：合理控制结构的自振周期；控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期两个方面。
（一） 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=(0.1～0.15)N
框- 剪、框筒结构: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=(13～1/5)T1；第三周期:T3=(1/5～1/7)T1。
（二） 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。
（三） 水平位移特征
水平位移满足高层规程的要求, 并不能说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素。因为结构抗震设计时,地震力的大小与结构刚度直接相关,当结构刚度小,结构并不合理时,由于地震力小则结构位移也小,位移在规范允许范围内,此时并不能认为该结构合理。因为结构周期长、地震力小并不安全；其次,位移曲线应连续变化,除沿竖向发生刚度突变外,不应有明显的拐点或折点。一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型；框架结构的位移曲线应为剪切型；框-剪结构和框-筒结构的位移曲线应为弯剪型。
三、高层建筑结构受力性能
一个建筑物的最初的方案设计，建筑师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：第一，较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒；第二，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。
四、高宽比限值
随着建筑物高度的增加，倾覆力矩也将迅速增大，高宽比大的结构其安全性和经济性较差，所以高宽比限值原则上是需要的。在审查中发现个别高层建筑房屋高度和高宽比均超出规定限值，且既无可靠的设计依据。在抗震设防区也没有采取有效的抗震加强措施，给结构抗震带来一定的隐患。根据建设部第59 号令，对于房屋高度、高宽比和体型复杂程度超过现行规范、规程的高层建筑，应按超限高层建筑进行设计，并按有关规定进行抗震设计专项审查。另外还有一点常被设计人员所忽视的是，房屋适用高度除与结构体系类型及抗震设防烈度有关外，尚与场地类别和结构是否规则等因素有关，当位于Ⅳ类场地或结构平面与竖向布置不规则时，其最大适用高度应适当降低（一般降低20%）。如某高层建筑32 层，高115.8m，部分框支剪力墙结构(底部2 层为框支)，6 度设防，Ⅳ类场地，根据规范其适用高度为120m，但由于建于Ⅳ类场地，其最大适用高度应适当降低(若按降低20%考虑，应为96m)，故该高层建筑需按超限高层建筑考虑。
参考文献：
1、 GB 5001022002 ,混凝土结构设计规范[ S] .
2、 史建华.混合结构房屋抗震设计探讨[J].建材技术与应用.2007.5.
3、 徐培福等.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005