关于高层建筑结构设计要点及相关问题的研究

沈林峰 仇仁志

摘要：作为城市的关键建筑大厦，高层建筑营造出万众瞩目的轮廓线，本文笔者将重点探讨高层建筑结构设计的几个重要内容。

关键词：结构设计；高层设计；抗震

伴着城市化的快速发展，高层建筑愈渐多样化，尤其衍生出的问题也愈加繁杂。而建筑高度与层数的增多，利用结构空间的效用，进一步发展了简中简结构、巨型结构、简体结构以及多简结构等诸多结构体系。高层建筑结构的侧移刚度、材料用量、承载能力、造价多少、抗震性能，和它所采用的结构体系具备十分紧密的联系。结构体系不一样，其所适用的建筑的高度、层数及功能也不同。

在高层结构设计当中，主要要控制水平力，这是由于地震区内水平力会给高层建筑结构设计起到决定性影响。剪力墙结构的周期短、刚度大、抗震作用强，因此在设计过程中务必要重视结构刚度的调整。最近几年以来我国出现了一连串的新型结构体系，在这当中涵盖了巨型桁架结构、巨型框架结构、悬挑与悬挂结构。如今采取此类结构体系的工程数量并不多，经验不足，再加上当前我过对此类结构的探索尚未成熟化、深入化，故无法在设计和施工当中得以广泛运用与推广。

一、概念设计与理论计算

概念设计是指一些难以做出精确力学分析或在规范中难以具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，做出判断，以便采取相应措施。概念设计带有一定经验性。高层建筑结构的抗震设计计算是在一定假定条件下进行的。尽管分析的手段不断提高，分析的原理不断完善，但是由于地震作用的复杂性和不确定性，地基土影响的复杂性和结构体系本身的复杂性，可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多。尤其是当结构进入弹塑性阶段之后，会出现构件的局部开裂，甚至破坏，这时结构就很难用常规的计算原理去进行内力分析。实践表明，在设计中把握好高层建筑的概念设计，从整体上提高建筑的抗震能力，消除结构中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和结构措施，才能设计出具有良好抗震性能的高层建筑。将注重概念设计作为高层建筑结构的最高原则提出，其主要内容为：

（一）应特别重视建筑结构的规则性（包括平面规则性和竖向规则性）。

（二）合理选择建筑结构体系包括：

1、明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；

2、避免因部分结构构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力、风载和地震作用的能力；

3、结构体系应具备必要的承载能力和良好的变形能力，从而形成良好的耗能能力。

（三）采取必要的抗震措施提高结构构件的延性。

二、结构整体稳定和倾覆问题

（一）整体稳定

建筑物在竖向荷载作用下，由于构件的压屈，可能造成整体失稳。我国国内高层建筑层数大多在40 层以下，刚度很大，整体稳定一般不存在问题。当高宽比H/B>5 时，应验算其整体稳定性。高层建筑由于总高度值很大，基底面积小，在水平荷裁和水平地震作用下，产生很大的倾覆力矩，如果倾覆力矩超过稳定力矩，则建筑物将会发生倾覆，此方面地层灾害实例也已证实。在抗倾覆验算中，倾覆力矩按风荷载或地震作用计算其设计值。计算稳定力矩时，楼面活载取50%，恒载取90%，要求抗倾覆的稳定力矩不小于倾覆力矩设计值。对于高度超过150m 的高层建筑应进行整体稳定性及抗倾覆验算。

三、水平作用

任何建筑结构都要抵抗竖向荷载和水平荷载，在低层和多层结构设计中，往往是以重力为代表的竖向荷载起控制作用，对于高层结构的设计，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要作用，但起控制作用的是水平荷载。之所以如此，其根本原因在于侧移和内力随高度的增加而迅速增长，例如一根悬臂杆件，在竖向荷载作用下，产生的轴力仅与高度成线性比例，但在水平荷载作用下，其弯矩与高增加。因此，在高层建筑结构设计中，抗侧力的设计是关键，水平荷载是决定因素。对于一定高度的建筑物，作为其水平荷载的风荷载和地震作用将随结构动力特性的不同而有显著的变化。

四、轴向变形

任何建筑结构在外力作用下产生的位移都包括弯曲、轴向变形和剪切变形三部分。在低层建筑结构设计中，通常只考虑弯曲变形，而忽略铀向变形和剪切变形的影响，因为一般结构构件的轴力和剪力产生影响较小，可不考虑。而高层建筑由于层数多、轴力大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会对高层结构的内力产生很大影响。此外，高层结构中的剪力墙的截面也往往很大。因此，剪切变形的影响不可忽略。

采用框架体系和框架剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴向压力往往大于边柱的铀向压力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的軸向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。故在高层建筑设计中，轴向变形不能不考虑。

在高层建筑结构的力学计算中，根据所选计算手段，所计算的构件变形因素是有区别的。对于简化助手计算方法，一般只计算最基本的变形。采用计算机方法计算时，计算的变形因素要多一些。当用空间协同工作方法时，考虑了梁的弯曲、剪切变形，考虑了柱、剪力墙的弯曲、剪切和轴向变形；当用完全的三维空间分析方法时，除考虑了前面全部变形外，还增加了梁、柱、剪力墙的扭转变形，以及剪力墙墙体截面的翘曲变形。

五、侧移成为控制指标

与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计的__关键因素。随着建筑高度增加，水平荷载作用下结构侧向变形迅速增大，结构侧移与高度呈现四次方关系上升。在高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗倒移刚度，以保证结构在水平荷载作用下所产生的侧移限制在一定范围内。侧移是高层建筑的要害问题，之所以要控制结构侧移，其主要原因有：

（一）侧移过大，使建筑物内的人在心理上产生不适应，控制结构侧移是保证建筑物正常使用的需要。

（二）侧移过大，使建筑物内的填充墙、建筑装饰和电梯轨道等服务设施产生裂缝、变形，甚至损坏。

（三）侧移过大，将导致结构开裂或损坏，进而危及结构正常使用和耐久性，实际上控制结构构件裂缝就是限制结构侧移。

（四）地震对建筑物的破坏程度，主要取决于结构侧移大小，如果结构变形能力不足以抵御地震输入能量对结构变形的要求，结构则会发生倒塌。

六、抗震设计

抗震设计要求更高在高层建筑结构的抗震设防设计时，要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载，还必须使建筑结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、中震可修、大震不倒。计算结构的延性是困难的，结构或构件的延性是通过一系列的构造措施实现的。在高层建筑设计中，为使结构具有良好的延性，构件要有足够大的截面尺寸，柱的轴压比、梁和剪力墙的剪压比、构件的配筋率都要适宜，应遵照规范、规程的要求。

七、结束语

高层建筑是城市空间的元素，优秀的高层建筑并不是排斥城市空间的明星建筑而是能一个创造人性的场所，又融入文脉的关系，不去破坏城市空间的和谐。好的高层建筑，必须以城市的公众利益为最终目的，还应充分满足使用者的需求。因此，我们务必要谋求城市发展与高层建筑之间达到平衡，以创设出更适合人类居住的环境、更美的城市景观。

沈林峰 仇仁志

摘要：作为城市的关键建筑大厦，高层建筑營造出万众瞩目的轮廓线，本文笔者将重点探讨高层建筑结构设计的几个重要内容。

关键词：结构设计；高层设计；抗震

伴着城市化的快速发展，高层建筑愈渐多样化，尤其衍生出的问题也愈加繁杂。而建筑高度与层数的增多，利用结构空间的效用，进一步发展了简中简结构、巨型结构、简体结构以及多简结构等诸多结构体系。高层建筑结构的侧移刚度、材料用量、承载能力、造价多少、抗震性能，和它所采用的结构体系具备十分紧密的联系。结构体系不一样，其所适用的建筑的高度、层数及功能也不同。

在高层结构设计当中，主要要控制水平力，这是由于地震区内水平力会给高层建筑结构设计起到决定性影响。剪力墙结构的周期短、刚度大、抗震作用强，因此在设计过程中务必要重视结构刚度的调整。最近几年以来我国出现了一连串的新型结构体系，在这当中涵盖了巨型桁架结构、巨型框架结构、悬挑与悬挂结构。如今采取此类结构体系的工程数量并不多，经验不足，再加上当前我过对此类结构的探索尚未成熟化、深入化，故无法在设计和施工当中得以广泛运用与推广。

一、概念设计与理论计算

概念设计是指一些难以做出精确力学分析或在规范中难以具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，做出判断，以便采取相应措施。概念设计带有一定经验性。高层建筑结构的抗震设计计算是在一定假定条件下进行的。尽管分析的手段不断提高，分析的原理不断完善，但是由于地震作用的复杂性和不确定性，地基土影响的复杂性和结构体系本身的复杂性，可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多。尤其是当结构进入弹塑性阶段之后，会出现构件的局部开裂，甚至破坏，这时结构就很难用常规的计算原理去进行内力分析。实践表明，在设计中把握好高层建筑的概念设计，从整体上提高建筑的抗震能力，消除结构中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和结构措施，才能设计出具有良好抗震性能的高层建筑。将注重概念设计作为高层建筑结构的最高原则提出，其主要内容为：

（一）应特别重视建筑结构的规则性（包括平面规则性和竖向规则性）。

（二）合理选择建筑结构体系包括：

1、明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；

2、避免因部分结构构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力、风载和地震作用的能力；

3、结构体系应具备必要的承载能力和良好的变形能力，从而形成良好的耗能能力。

（三）采取必要的抗震措施提高结构构件的延性。

二、结构整体稳定和倾覆问题

（一）整体稳定

建筑物在竖向荷载作用下，由于构件的压屈，可能造成整体失稳。我国国内高层建筑层数大多在40 层以下，刚度很大，整体稳定一般不存在问题。当高宽比H/B>5 时，应验算其整体稳定性。高层建筑由于总高度值很大，基底面积小，在水平荷裁和水平地震作用下，产生很大的倾覆力矩，如果倾覆力矩超过稳定力矩，则建筑物将会发生倾覆，此方面地层灾害实例也已证实。在抗倾覆验算中，倾覆力矩按风荷载或地震作用计算其设计值。计算稳定力矩时，楼面活载取50%，恒载取90%，要求抗倾覆的稳定力矩不小于倾覆力矩设计值。对于高度超过150m 的高层建筑应进行整体稳定性及抗倾覆验算。

三、水平作用

任何建筑结构都要抵抗竖向荷载和水平荷载，在低层和多层结构设计中，往往是以重力为代表的竖向荷载起控制作用，对于高层结构的设计，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要作用，但起控制作用的是水平荷载。之所以如此，其根本原因在于侧移和内力随高度的增加而迅速增长，例如一根悬臂杆件，在竖向荷载作用下，产生的轴力仅与高度成线性比例，但在水平荷载作用下，其弯矩与高增加。因此，在高层建筑结构设计中，抗侧力的设计是关键，水平荷载是决定因素。对于一定高度的建筑物，作为其水平荷载的风荷载和地震作用将随结构动力特性的不同而有显著的变化。

四、轴向变形

任何建筑结构在外力作用下产生的位移都包括弯曲、轴向变形和剪切变形三部分。在低层建筑结构设计中，通常只考虑弯曲变形，而忽略铀向变形和剪切变形的影响，因为一般结构构件的轴力和剪力产生影响较小，可不考虑。而高层建筑由于层数多、轴力大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会对高层结构的内力产生很大影响。此外，高层结构中的剪力墙的截面也往往很大。因此，剪切变形的影响不可忽略。

采用框架体系和框架剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴向压力往往大于边柱的铀向压力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。故在高层建筑设计中，轴向变形不能不考虑。

在高层建筑结构的力学计算中，根据所选计算手段，所计算的构件变形因素是有区别的。对于简化助手计算方法，一般只计算最基本的变形。采用计算机方法计算时，计算的变形因素要多一些。当用空间协同工作方法时，考虑了梁的弯曲、剪切变形，考虑了柱、剪力墙的弯曲、剪切和轴向变形；当用完全的三维空间分析方法时，除考虑了前面全部变形外，还增加了梁、柱、剪力墙的扭转变形，以及剪力墙墙体截面的翘曲变形。

五、侧移成为控制指标

与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计的__关键因素。随着建筑高度增加，水平荷载作用下结构侧向变形迅速增大，结构侧移与高度呈现四次方关系上升。在高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗倒移刚度，以保证结构在水平荷载作用下所产生的侧移限制在一定范围内。侧移是高层建筑的要害问题，之所以要控制结构侧移，其主要原因有：

（一）侧移过大，使建筑物内的人在心理上产生不适应，控制结构侧移是保证建筑物正常使用的需要。

（二）侧移过大，使建筑物内的填充墙、建筑装饰和电梯轨道等服务设施产生裂缝、变形，甚至损坏。

（三）侧移过大，将导致结构开裂或损坏，进而危及结构正常使用和耐久性，实际上控制结构构件裂缝就是限制结构侧移。

（四）地震对建筑物的破坏程度，主要取决于结构侧移大小，如果结构变形能力不足以抵御地震输入能量对结构变形的要求，结构则会发生倒塌。

六、抗震设计

抗震设计要求更高在高层建筑结构的抗震设防设计时，要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载，还必须使建筑结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、中震可修、大震不倒。计算结构的延性是困难的，结构或构件的延性是通过一系列的构造措施实现的。在高层建筑设计中，为使结构具有良好的延性，构件要有足够大的截面尺寸，柱的轴压比、梁和剪力墙的剪压比、构件的配筋率都要适宜，应遵照规范、规程的要求。

七、结束语

高层建筑是城市空间的元素，优秀的高层建筑并不是排斥城市空间的明星建筑而是能一个创造人性的场所，又融入文脉的关系，不去破坏城市空间的和谐。好的高层建筑，必须以城市的公众利益为最终目的，还应充分满足使用者的需求。因此，我们务必要谋求城市发展与高层建筑之间达到平衡，以创设出更适合人类居住的环境、更美的城市景观。