基于建筑工程中结构设计探讨

陈宇 张艳芳

【摘要】现阶段，建筑工程结构的类型与功能设计越来越趋于复杂及多样化，特别是城市中高层建筑物的聚集度急剧增长，对其结构体系和形式要求也更趋复杂。如何正确进行结构设计和结构计算，以满足新规范的要求，成为了结构设计师面临的主要问题。笔者对高层建筑结构设计的特点、方法及相关问题进行了简要分析，根据笔者的多年实际工作经验并结合对结构设计的体会进行了一定的研究和探讨，从而进一步完善高层建筑结构设计，促进高层建筑的发展。

【关键词】建筑结构设计；设计特点；设计参数控制

1 高层建筑结构分析与设计方法

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、筒体等）通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定：弹性假定；小变形假定；刚性楼板假定；计算图形的假定。

对于框架-剪力墙体系来说，框架-剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。框架-剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的计算方法是平面有限单元法。筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。

2 高层建筑结构设计的特点

2.1 轴向变形不容忽视

高层建筑中，竖向载荷很大，能在柱中引起较大的轴向变形，对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；此外还会对预测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。

2.2 结构延性是重要设计指标

相对于低层建筑而言，高层建筑的结构更柔和一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使高层建筑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。

2.3 水平荷载成为决定因素

因为高层建筑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，仅与建筑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变化。

3 高层建筑结构的相关问题分析

3.1 结构的超高问题

在抗震规范和高规中，对结构的总高度有着严格的限制，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级高度以为，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。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。

3.2短肢剪力墙的设置问题

在新規范中，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。

3.3嵌固端的设置问题

由于高层建筑一般都带有2层或2层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室项板，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问题。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的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题，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。

4 高层结构设计的参数控制

高层结构设计中各参数的控制将直接影响结构的安全性、合理性，特别有些参数在高层结构中显得更重要。因此，合理的选取各控制参数，同时调整参数将有助于提高结构整体控制的效率，同时可使结构设计更加安全、经济合理。以下这些参数控制与调整是工程实践证明相当重要的参数之一。

4.1 轴压比：限制结构的轴压比，以保证结构的延性要求，当不满足规范要求时可以通过增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度的办法调整；

4.2 层间位移角：限制结构在正常使用条件下的水平位移，确保高层结构应具备的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求，当不满足规范要求时，只能通过调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度的办法调整；

4.3 周期比：限制结构的抗扭刚度不能太弱，使结构具有必要的抗扭刚度，减小扭转对结构产生的不利影响。当不满足规范要求时，只能通过调整改变结构布置，提高结构的抗扭刚度；

4.4 剪重比：限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全，当偏小且与规范限值相差较大时，可通过增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度的办法调整；

4.5 刚重比：规范上限主要用于确定重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应是否可以忽略不计，当不满足规范下限要求时，可以通过调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度的办法调整；

4.6 刚度比：主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免结构网Ⅱ度沿竖向突变，形成薄弱层。当不满足规范要求时，可以适当加强本层墙、柱和梁的刚度，或适当削弱上部相关楼层墙、柱和梁的刚度以满足要求。

5 结语

随着城市经济水平的不段提高，以及人们对物质文化生活需求的不断提升，所以有越来越多的人涌入城市生活，导致了城市人满为患，再加上人口的不断增长，用来缓解城市居民对空间的需求紧张，因为高层建筑可以放置更多的货物、居住更多的人，所以对高层建筑的需求会越来越大，如何能让高层建筑不破坏城市空间的和谐，只有更合理的提高结构设计的能力。在高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择。高层建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析掌握的知识处理实际建筑设计中遇到了各种问题，这是目前结构工程师需要面临的课题。

参考文献

[1]梅洪元 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 2012

[2]赵西安 现代高层建筑结构设计 北京：科学出版社 2010

[3]于险峰 高层建筑结构设计特点及其体系 建筑技术 2013（24）