浅谈高层建筑结构设计与安全度问题

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摘要：本文围绕高层建筑结构，总结了高层建筑结构设计的特点，还针对当前房屋建筑结构设计中常见错误问题进行了剖析，指出了错误的原因和后果，并给出了一些设计建议。在一个工程中，安全是最不能被忽视的问题之一，在此也论述了我国当前的建筑安全事故及现行规范中的构造，提出节约的建议。

关键词：建筑结构 设计安全度结构体系 剪力墙 结构抗震 承重柱

引言

自1885年美国兴建第一幢高层建筑――芝加哥保险公司大楼（10层，55m）以来，高层建筑的发展很快，从20世纪初至1979年，全世界建成200m以上的高层建筑有50幢以上，其中大部分建筑在美国。其中著名的有1972年建造的纽约世界贸易中心大厦（110层，417m，415m），1974年建造的美国芝加哥西尔斯大厦（Sears Tower，110层，443m）。在我国，目前高度在104m以上的高层建筑超过100幢，分布在上海、广州、北京、深圳等20个大城市，其中以上海为最多。1998年建成的金茂大厦（88层，420.5m），是世界第三高楼。

1高层建筑结构设计特点

1.1水平荷载成为决定因素。一方面，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；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

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；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

1.3侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。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。

1.4结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

2楼板设计常见问题

板是建筑工程中的主要承重构件，是它将楼面，屋面的荷载传给其周围的墙或梁上，楼板的设计问题必将连带梁、墙、柱等构件安全。若对整个设计考虑不周，很容易出现设计质量问题，有的还可能存在严重的质量隐患。楼板设计中常见如下几个问题。

2.1设计时为了计算方便或因对板的受力状态认识不足，简单地将双向板作用单向板进行计算。使计算假定与实际受力状态不符，导致一个方向配筋过大，而另一方向仅按构造配筋，造成配筋严重不足，致使板出现裂缝。

2.2板承受线荷载时弯矩计算问题，在民用建筑中，常常在楼板上布置一些非承重隔墙故大楼板设计中常常将该部分的线荷载换算成等效的均布荷载后，进行板的配筋计算。但有些设计人员错误地将隔墙的总荷载附以板的总面积。另外，板上隔墙顶部处理常采用立砖斜砌砌顶紧上部分的楼、屋面板，这样会给上部的板增加了一个中间支承点，使其变为连续板，支承点上部出现了负弯矩，而在板的设计中又没考虑该部分的影响，致使板顶出现裂缝。

2.3双向板有效高度取值偏大。双向板在两个方向均产生弯矩，由此双向板跨中正弯矩钢筋是纵横叠放，短跨方向的跨中钢筋应放在下面，长跨方向的跨中钢筋置于短跨钢筋的上面，计算时应用两个方向的各自的有效高度。一般长向的有效高度比短向的有效高度小d（d为短向钢筋的直径）。有的设计得为图省事或对板受力认识不足，而取两上方向的有效高度一致进行配筋计算，致使长跨有效高度偏大，配筋降低，使结构构件存在的质量隐患，甚至出现开明缝的现象。

3连续梁按单梁进行设计

这种情况多发在阳台边梁的设计中。由于边梁上的荷重一般较小，没有引起设计得的重视，左图受力分析方便，设计得把实际应为连续梁的梁按单简支梁进行设计，致使梁在支座处上部负筋配置量过少。这样必然引起梁在支座附近上部受拉区出现竖向裂缝，进而引起梁上部拦板出现竖向裂缝。如果该边梁长度较长时，问题将会变得更加严重。因为该梁一般直接暴露在室外，受环境温度影响较大。当环境温度变化时，梁的伸缩受到梁端柱或挑梁的约束，在梁内产生收缩应力，该收缩应力作用于原已产生的梁上裂缝处，引起梁的支座附近沿整个梁截面四周裂缝贯通，梁承载力降低，直接影响了使用安全。

4悬挑梁的梁高选用过小

设计者往往只注意了对梁的强充和倾覆进行验算，而忽略了对梁手挠度的验算。梁高选用过小，引起梁截面的受压区应力过高，在正常使用状态下，梁截面受压区产生非线性徐变。梁挠度随时间的推移不断加大。挑梁的变形引起梁板出现裂缝，裂缝宽度随着挑梁变形的回大而加宽，影响了房屋的正常使用。据笔者观察，这种挑梁的变形发展到后期，梁支座截面上部受拉区常常出现较宽的竖向裂缝。受支座附近上部受拉区常常出现较宽的竖向裂缝。受支座附近剪弯作用的影响，竖向裂缝向下延伸发展为斜裂缝，此时梁已接近破坏，当为托墙挑梁时，梁过大的挠度引起梁上境况体在梁支座附近出现裂缝。裂缝在梁支座处沿斜向延伸，缝愈靠上愈宽。挑梁的截面过小对结构的抗震也很不利。悬挑结构对竖向地震的作用最为敏感。梁高小时，截面的相对受压区高度较大，梁的延性减小，在竖向地震作用下易发生脆性破坏，失去承载力。

5 结构设计，提倡节约

我国是发展中的国家，还是要尽量提倡节约，目前我国规范中的构造要求，并非都比外国低。有的已经超过。外国大企业在北京买了按我国规范设计的大楼，说明我国规范不是进不了国际市场。现在对安全度进行讨论，应注意不要引起误导，千万不要误解提高建筑结构安全度建筑物就安全了，造成不必要的浪费。有人认为现行规范安全度与国际相比虽然偏低，但使用十年来已成功建成约100亿平方米的建筑物，实践已经证明，现行规范安全度是可以接受的，这是重要的经验，不能轻易放弃。但考虑到客观形势变化，国家经济实力增强和住宅制度改革现状，可以将现行设计可靠度水平适当提高一点，这样投入不大，却对国家总体和长远利益有利。

6 规范要根据国家政策而定

一个国家的规范，不仅仅是技术性的，还有根强的政策性，许多方面，是一个国家经济条件的直接反映。因此，我国规范的材料用量，当然应该比发达国家低,也即安全度应该低一些。这方面我们完全可以理直气壮地说，我们过去的设计标准，是符合我国国情的，是安全的。当然某些局部有不足，要不断修改。国外的规范也不是十全十美，也在不断的修改。我们过去的结构成功地经受了几十年的考验,那就是说,我们的规范,基本是正确的,安全度基本是能满足要求的。我国经济发展地区不平衡，分布不均，不能单看我国这些年沿海地区的经济发展，我国广大中西部地区，还是相当穷的。我国钢产量虽大幅度提高，但人均产量仍就很低，而且品种不全，质量较低。所以，我不赞成说现在就可以大量用钢。中小城市现在还在发展冷轧变形钢筋，这种钢筋性能并不太好，就因为能省钢，所以还在发展，这就是我国的国情。

7 结 论

总之，随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式，材料，力学分析模型都将日趋复杂多元，为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。我们设计工作者必须按规范相应的构造要求严格执行，才得以从根本上消除设计质量的隐患。

参考文献

[1]高立人，王跃，结构设计的新思路--概念设计，建筑，1999（1）.

[2] 梅洪元，付本臣。中国高层建筑创作理论发展研究，高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2002.

[3]覃力，高层建筑设计的一种倾向――大规模高层建筑的集群化和城市化， 高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2002.