关于城市高层建筑结构设计问题研究

2015-04-16徐紫帅

建材与装饰 2015年48期

徐紫帅

1 引言

随着我国经济建设的快速发展，人们的生活水平得到了很大的提高，智能化、功能多样性的高层建筑逐渐成为现今城市建设的主要发展方向。随之，城市高层建筑的结构设计水平和质量也在不断提高。城市高层建筑的结构设计需要注意的要点有很多，涉及到各种力学知识和计算分析，本文就对城市高层建筑结构设计的相关问题进行研究，包括高层建筑结构受力分析，结构设计的相关原则、内容等，从而促进城市高层建筑的结构设计不断优化和工程质量的不断提高。

2 城市高层建筑结构在设计时所面临的受力问题

在进行高层建筑设计时，建筑的最初设计方案不仅要考虑到整个建筑的功能需求和空间特点，还要根据相应的结构布置，对建筑的受力进行综合分析，确定该方案所采用的结构体系能够实现。对于高层建筑来说，建筑空间影响着建筑的整体结构布局，包括根据建筑的水平和竖向受力特点所确定的结构体系。高层建筑往往由较大的构件构成，整体建筑的水平和竖向荷载通过结构竖向构件传入地基后，由地基基础来承载，这就需要了解地基基础的承载能力以及建筑结构各体系之间甚至各构件之间的相互作用关系，从而对建筑的结构构件进行正确的、符合实际的计算分析。

高层建筑的结构受力主要由竖向作用和水平作用控制，竖向作用包括建筑、结构自重和楼层活荷载等，水平作用包括风、地震作用等。当建筑高度较低时，结构的竖向作用是结构设计的重要控制因素，在结构设计时要需要对墙、柱等构件进行竖向受力计算分析，通过竖向受力状况来控制构件的截面、材料等。随着层数和高度的不断增加，水平作用越来越成为高层建筑结构设计的控制因素。一方面，水平作用随着建筑高度的增加而不断增加，其对建筑物产生的倾覆力矩以及由此在竖向构件中引起的轴力，与建筑高度的两次方成正比；另一方面，对高度建筑来说，风和地震等水平作用的数值随着建筑结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。当达到一定高度的时候，高层建筑因水平作用所产生的位移和舒适度问题将成为结构设计的决定性因素。

3 城市高层建筑结构在设计时需要注意的原则要点

城市高层建筑结构在设计时需要注意一些原则，从而保证建筑结构的施工质量，以下就对需要注意的原则进行简单的分析：

3.1 根据地质条件做好高层建筑结构的基础设计

基础是建筑物的重要组成部分，建筑物所承受的各种荷载都要经过基础传至地基。在进行高层建筑结构的设计时，首先要对建筑物基础进行设计，根据地质勘查取得的高层建筑所在位置的地质状况、高层建筑的上部结构类型、水平和竖直荷载以及高层建筑周围的已建建筑影响、实际施工环境及施工条件等进行综合的经济技术分析，选择合适的地基基础形式。

由于高层建筑层数多、高度大，上部结构传至基础的荷载一般很大，要解决这一问题有两种方法：①加大基础面积，减小基底应力；②对地基进行处理，提高地基承载力，或采用承载力较高的桩基等。通常情况下我们不一味的加大基础面积或一味的提高地基承载力来解决这个问题，而是通过计算分析，采用合理的基础尺寸，同时采用合适的技术对地基进行处理，提高地基承载能力，以达到较好的经济技术效果。

3.2 做好高层建筑的主体结构设计

在进行高层建筑主体结构设计时，首先要对建筑的结构体系与形式进行研究，根据建筑的功能要求、受力状况、荷载变化等选择合理的结构体系。合理的结构体系不仅要具有必要的承载能力、刚度和延性，还要避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力，同时还要考虑经济性的问题。目前，高层建筑混凝土结构可采用的结构体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、板柱-剪力墙和筒体等，每种结构体系都有自身的受力特性、适用高度、优缺点等，在进行结构设计时，根据建筑物自身特点，综合考虑建筑的安全性、经济性、可靠性与稳定性，具体问题具体分析，采用适合建筑自身的结构体系。

在进行高层建筑主体结构设计时，还需要根据建筑综合的设计要求与指标，对建筑结构的施工环境、施工材料的供给、施工的复杂程度等进行综合、全面的分析与研究，降低和减少工程施工难度。同时，配合水暖电等其他专业做好主体结构的相关专业设计。

3.3 选择合适的计算简图

高层建筑是三维空间结构，构件多、受力复杂，在进行结构计算分析时，需要对建筑结构方案和构件布置进行力学上的适当简化处理，使其既能比较正确的反映结构的受力性能，又适应于所选用的计算分析软件的力学模型，从根本上保证结构分析结果的可靠性。

3.4 对结构进行准确的计算

在进行高层建筑结构进行设计时，还要做好结构的计算，在计算设计时一般都需要应用计算机软件技术。目前结构计算分析软件种类比较多，每种软件都有其自身的适用条件，使用不当，可能导致结构计算的不合理甚至不安全。在选择计算软件时，要掌握结构计算软件的技术水平和结构计算所适用的具体范围，避免由于参数输入错误或软件自身缺陷所造成的结构计算结果的较大偏差。

4 高层建筑结构设计需要注意的问题

在进行城市高层建筑结构设计时，还要注意一些问题，从而保证高层建筑结构的质量，主要包括以下几个方面：

4.1 高层建筑结构体系的规则性问题

在高层建筑的抗震设计中，合理的建筑体型和布置是非常重要的，因为震害表明，简单、对称的建筑在地震时较不容易破坏，而且容易估计其地震时的反应，容易采取抗震构造措施和进行细部处理。我国现行规范《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：“高层建筑不应采用严重不规则的结构体系”，“高层建筑结构的竖向和水平布置宜使结构具有合理的刚度和承载力分布，避免因刚度和承载力局部突变或结构扭转效应而形成薄弱部位”等，规范对高层建筑结构的规则性设计提出了相应的限制条件，在高层建筑的实际工程设计中，应避免出现规范中规定的不应采用的结构布置方案。

4.2 高层建筑的适用高度问题

在城市高层建筑结构设计过程中，还要考虑到高层建筑的适用高度问题。我国对高层建筑结构的适用高度有明确规定，《高层建筑混凝土结构技术规程》中把高层建筑高度分为A、B 级。为保证B 级高度高层建筑的设计质量，抗震设计的B 级高度的高层建筑，应进行超限高层建筑的抗震设防专项审查复核。超过规范规定高度的特殊建筑，还要通过专门的审查、论证，补充更严格的计算书，必要时还要进行相应的结构试验研究。因此，在设计时，要严格控制建筑的具体高度，避免出现规范规定外的超高建筑。