近代高层建筑结构设计分析

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一、高层结构设计的设计要点

1.高层建筑的结构必须能够承受竖向荷载、水平荷载和外荷载。其中对结构设计进行控制的主要因素就是水平荷载。高度会与结构内力和位移产生联系，位移与弯矩大小均与高度成正比，轴向力与高度成正比。高层建筑中的结构材料必须能够负担水平负载力。

2.高层建筑中的结构设计必须对轴向变形引起重视，竖向荷载的增大更容易造成轴向变形，减小负弯矩值，增加跨中正弯矩。

3.高层建筑的结构必须具有结构延性。

二、当前高层建筑结构设计中出现的问题

随着高层建筑的不断兴建，我国很多高层建筑的结构设计中都暴露出了一些问题，对高层建筑的建设带来了不利的影响。

1.对高层建筑抗侧力结构的设计与多层建筑相比，高层建筑在高度和层数上都有一个明显的突破。从结构设计的角度，高层建筑与多层建筑在设计方法以及设计原理上基本是一致的。两者的区别主要体现在水平荷载作用，高层建筑的结构材料必须能够抵抗更大的水平荷载，对于高层建筑特别是带高位转换层、多塔楼和大底盘的高层建筑，都很容易在抗侧力结构上出现问题。

2.高层建筑地基基础设计的问题高层建筑的地基基础设计要求很高，有很多高层建筑的地基基础设计没有对荷载进行全面的考虑，在进行局部填土、隔墙设置等都没有对荷载偏心的影响进行考虑。在地基基础设计中，没有进行冲切、抗剪和抗弯的处理。

3.高层建筑在轴压比的控制上的问题轴压比的限制比在高层建筑中有着严格的规定，很多高层建筑的设计难以满足轴压比的规范要求，很多构件的截面受到了限制。轴压比的限制对高层建筑的质量会产生很大的影响。

4.高层建筑对连梁的结构设计高层建筑的连梁设计包括截面的尺寸、剪压比的限制、连梁的剪力设计取值等等。如果高层建筑中对连梁的设计不准确，截面高度过大，跨度过小，就会影响高层建筑的抗震效果。一旦发生地震，连梁的剪力和弯矩过大，难以达到相应的抗震规范，影响高层建筑的使用安全。

5.高层建筑结构设计中对结构计算的结果难以判断对结构计算结果进行判断并不容易，高层建筑结构计算所要考虑的因素众多，不仅要对结构自振周期、振型曲线、水平位移特征等因素进行考虑，还要考虑其抗震设计的合理性。因此，很多高层建筑的设计中难以对结构计算的结果进行准确的判断，往往遗漏一些影响因素，造成结构计算的不合理。

三、解决高层建筑结构设计问题的具体措施

1.如何对高层建筑结构地基基础进行设计

（1）当高层建筑的设计中有地下室这一内容时，要对荷载进行全面的考虑，地下室的外挑部分、局部填土、停车、水池等都会受到荷载偏向的影响。

（2）在对筏基和箱基的梁板配筋进行计算时，必须对底板上直接作用的梁板自重和荷载进行相应的扣除，当箱筏的四边边区格和四角的地基反应力过大的时候要对其进行加强配筋。

（3）如果高层建筑的地面有中庭设计，就必须对基础底沿的轴线上进行基础梁的设置。在使用倒梁法进行内力分析时，注意不到顶的中间柱是不能够作为支点的，在进行集中荷载计算时必须同时计算柱底反力。

（4）在对箱基进行结构设计时，要注意对洞口上下的连梁进行考虑，验算其截面面积，如果洞口的大小或者位置出现修改，要对连梁抗剪强度和抗弯进行复核。

（5）如果采用的整体筏基和箱基的设计，就要对其桩土进行考虑，桩土的共同工作会产生一定的影响。在对基础底板进行计算时，要对桩土共同作用的状态或桩沉降状态下的地基反力进行考虑。

2.如何对高层建筑的轴压比进行控制一般来说提高混凝土的强度是对高层建筑轴压比进行控制的直接方法。如果还不能达到相关标准，则还可以使用其他方法来对轴压比进行控制。

（1）混凝土的变形能力受到柱的箍筋的影响，因此可以通过对混凝土的横向变形进行约束，来对裂缝的扩展进行延缓，并对截面抗剪能力进行提高。增大配箍率、使用合适的配箍形式都可以实现结构延性的提高。在设计时，如果采用井字复合箍进行沿柱全高，且保持箍筋的直径、间距和肢距，一般来说直径在8毫米以上，间距在100毫米以内，肢距在100毫米以内。如果采用复合螺旋箍进行沿柱全高，则要保证8毫米以上的箍筋直径，100毫米以内的螺距和100毫米以内的肢距。

（2）在弹性模量方面，钢筋的弹性模量高于混凝土6倍有余，如果配置了较多的纵向钢筋在柱中，有余轴向压力的影响，钢筋会承担更多的压力，从而降低混凝土承担的压力。在设计中可以在柱截面中部加入附加芯柱，另加的纵向钢筋的总面积不少于柱截面面积的0.8%都必须加入纵向钢筋。

（3）提高混凝土强度等级对轴压比的控制有直接的效果，但混凝土的强度越高其脆性也越大，因此要控制混凝土强度等级不超过C60。

3.如何进行连梁设计在《高层建筑混凝土结构设计规程》以及《建筑抗震设计规范》等相关设计规范当中都明确的规定了连梁的截面尺寸、剪压比限制以及剪力设计取值等内容。在具体的工程设计过程当中，因为连梁具有较小的跨度以及高度较大的截面，因此在地震的作用下，弯矩和剪力在经过内力的计算之后都比较大，因此无法使规范的要求得到充分的满足，在对其进行设计的时候必须要以不同的情况为根据从而采取不同的措施。在地震作用下，为了对连梁的延性进行保障，并对剪力和弯矩进行有效的传递，刚度折减的系数就要高于0.55；在风荷载的作用下，为了将连梁的裂缝控制在正常的适用范围内，就要使刚度折减的系数高于0.80。此外，如果调整刚度折减系数后连梁仍然难以满足要求，则可以采用内调幅，并配置足够的箍筋。若连梁的超筋较多时，可以对连梁的高度进行减小，以减小剪力和弯矩。

4.合理的判断结构计算结果

（1）结构自振周期：应该在下列的范围之内针对高层建筑计算的自振周期进行控制：框架结构T1=（0.1～0.15）NS；框架-剪力墙结构T1=（0.08～0.12）NS；剪力墙结构T1=（0.04～0.06）NS；框架筒体结构T1=（0.1～0.15）NS（NS为建筑物的层数）。应该在以下的范围之内针对第二周期以及第三周期的结构进行控制：第三周期T3=（1/5～1/7）T1；第二周期T2=（1/3～1/5）T1。（2）振型：振型曲线一般情况下必须要做到具有光滑连续的特点，不规则的凹凸以及突变的转折点等都不应该在其中出现；通常情况下，应该在以下范围内针对零点到底部在各振型曲线当中的高度进行控制：第一振型：没有出现零点；第二振型：有一个零点点存在于（0.7～0.8）H处，其中H为的建筑物计算高度；第三振型：有两个零点分别存在于（0.8～0.9）H处以及（0.4～0.5）H处。

四、结语

结构工程师在设计高层建筑结构的过程中，不仅要对结构计算的准确性进行重视，同时还要关注如何合理地选择结构方案，设计界现在对概念设计进行了大力的提倡，然而在实际的工程设计当中却具有千差万别的情况，所以设计人员必须要以工程中遇到的实际情况为根据进行科学合理的设计。

作者：黄钟城单位：浙江西子联合工程有限公司