高层建筑结构设计中常见问题及解决措施

　　摘要：随着我国经济建设步伐的不断加快，高层建筑已经逐渐进入到了人民的生活当中，建筑物的结构变得更加多样化，其功能也越来越丰富起来，这就对高层建筑的结构设计和分析工作提出了更高的要求。本文通过对高层建筑结构设计过程中经常遇到的问题进行浅要的分析，意在为建筑结构设计人员提供参考依据。
　　关键词：高层建筑，结构设计，常见问题，解决措施
　　一、高层建筑的结构设计特点
　　1、建筑设计中的水平荷载
　　有关建筑设计中的水平荷载问题，我们可以从以下两个方面来说明：一方面，楼房的自身重量和建筑楼面所承受的载荷作用于竖向构件中，其所引起的轴力和弯矩数值与建筑物高度的一次方成正比关系。在建筑结构中，水平载荷产生的倾覆力矩和竖向构件中所引起的轴力，都是与建筑物的垂直高度的平方成正比关系。另一方面，对于某一特定的高层建筑物来说，其竖向载荷能力基本上已经是定值，而在水平载荷方面则不同，它还会受到一定的风力影响和地震作用影响，水平载荷的数值会随着建筑物结构的动力特性的变化而不断变化。
　　2、建筑设计中的轴向变形
　　在高层建筑的结构设计中，建筑物竖向载荷的数值一般都比较大，如果设计时考虑不周，会在柱体中引起一定的轴向变形，对连续梁弯矩有一定的影响，这种情况会减少连续梁中间支座处的负弯矩值，而端支座的副弯矩值和跨中正弯矩则会出现增大的情况；在建筑设计中，需要根据轴向变形来计算相应的数值，对预制构件的下料长度进行细致的调整；有关轴向变形的问题，还会影响到构件的剪力和侧移的幅度，从而引起建筑设计的安全问题。
　　3、建筑设计中的结构延性
　　对于高层建筑物来说，它相对于一些较低的建筑物有更为柔和的建筑结构，在一些突发的震动情况下会产生较大的变形。为了使建筑结构在塑性变形后仍然具有良好的变形能力，避免出现建筑倒塌，我们在建筑设计时要采取一定的措施，以保证高层建筑的结构具有适合的延性。
　　4、建筑设计中的侧移幅度
　　在高层建筑的设计过程中，建筑结构产生侧移的问题是高层建筑结构设计的关键要素，随着高层建筑的高度不断增加，其水平荷载能力也在随之变化，建筑物结构侧移的幅度迅速增大，为了确保高层建筑的质量安全，必须把建筑结构水平载荷下的侧移幅度设计控制在一定限度之内。
　　二、高层建筑结构设计的常见问题
　　1、高层建筑结构的规则性问题
　　有关高层建筑结构设计的规则性问题，在新出台的建筑规范章程上出现了很大的改动，新的规范标准在结构设计方面增加了一系列的限制性条件，例如，新的规范制度用强制性的条文规定了“建筑物不应该采用严重不规则的建筑设计方案”。因此，建筑结构设计人员在进行设计工作时应注意遵守新规范制度中的限制性条件，对于设计中的不符合规定问题必须及时的调整，以免为后期的相关工作造成隐患。
　　2、高层建筑的高度问题
　　根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》中的有关规定，从考虑经济与适用原则的角度出发，规定了各种常见建筑结构体系的最大适用高度。在我国的社会经济发展水平、建筑科研水平和施工科学技术水平的相关背景下，这一高度是比较安全稳妥的，它是目前我国土木工程规范体系中最相协调的标准高度。但是在实际的建筑工作中，很多混凝土结构的高层建筑在高度设计上已经超过了这一限制，例如，中信广场是采用混凝土结构进行建造的，其高度达到了322m；金茂大厦采用的是组合结构进行建造，其整体高度达420.15m。对于目前这种超过高度限制的高层建筑物，我们必须以谨慎的科学态度对待。因为如果发生地震的话，这些超高建筑物在受到破坏后会发生很大的变形，严重影响建筑物的安全。随着建筑物的高度不断增加，它的一些规范指标的适用范围也发生了变化，在安全指标、材料性能、延性要求等方面都要做适当的调整，从而使建筑物具有稳定的安全性能。在建筑物的抗震规范建设标准与高度建设规定中，对于建筑物整体结构的总体高度都有严格的限制性规定，超过规定的高度，建筑物的设计方法和处理措施都会发生很大的变化，这一问题对建筑工程的各方面影响巨大，我们必须严肃对待。
　　3、高层建筑嵌固端的设置问题
　　通常情况下，高层建筑的底部都建有二层或二层以上的地下室，它是高层建筑的根基所在。建筑物的嵌固端有时会设置在人防顶板的位置，有时也会设在地下室的顶板处，这是建筑结构设计中的一个细节问题，在建筑结构设计中，如果设计人员忽视了嵌固端的设置，会引发嵌固端的楼板设计、嵌固端的上下层刚度比例限制、嵌固端的上下层抗震等级的一致性、建筑整体建构设计与嵌固端位置协调等一系列的问题，任何一个细节问题的忽略都可能导致后期施工工作中的安全隐患。
　　4、高层建筑的地基与基础设计问题
　　高层建筑的地基与基础设计问题一直是建筑结构设计人员比较重视的问题之一，该阶段设计工作的好坏会直接影响后期结构设计工作的顺利进行，同时，建筑物地基基础也是整个工程造价高低的决定性因素。在地基基础设计这一阶段，极有可能出现一些问题，如果不加以重视，将对建筑工程造成巨大的损失。设计人员在地基基础设计的过程中，一定要重视地方性规范标准。由于我国的幅员辽阔，不同地区的地质条件各不相同，仅凭国家标准的《地基基础设计规范》根本无法达到对全国不同地区的地基基础都进行详细的适用描述和规定，因此，各地方出台的地方性“地基基础设计规范”更适合本地区的地基基础设计工作，其对施工设计的相关规定更为准确和详细，在进行地基基础设计工作时，一定要深入的学习地方性建筑规范，避免对后期的设计施工工作造成不良的影响。
　　5、建筑材料的选用和结构问题
　　通常情况下，在地震多发的一些地区，工程技术人员对采用何种建筑材料或建筑结构体系的问题都非常的重视。在我国，150m以上的建筑物主要采用框一筒、筒中筒和框架一来支撑三种常用的建筑结构体系。这三种建筑结构体系在其他国家的高层建筑中已经被普遍采用。在国外的地震多发地区，高层建筑物主要以钢结构为主，而在中国，建筑物有将近90%的比例是钢筋混凝土结构或其他沙石混合结构。在混合结构的钢筋混凝土内筒部位，通常要承受80%~90%的地震作用剪力，这种情况对建筑物来说是十分危险的。在结构设计中，由于建筑结构是以钢筋混凝土核心筒为主，所以对建筑材料的变形控制要考虑钢筋混凝土结构的位移。由于钢筋混凝土结构的弯曲变形侧移幅度较大，如果我们只采用刚度很小的钢架来减少侧移，效果并不明显，而且还会增加钢结构的承载能力。有时会采取加大混凝土内筒的刚度和设置伸臂结构等方法以达到满足规范侧移限制的标准。所以，在高层建筑材料的选用方面，根据我国现有建筑市场上的钢材类型、品种和有关钢结构的加工制造能力，建议在高层建筑中尽可能采用钢管混凝土结构或钢结构、钢骨混凝土结构，以达到改善高层建筑结构的抗震性的目的。钢骨(钢管)混凝土通常作为高层建筑的首选建材，这是由它的坚固和稳定性能决定的。
　　6、建筑设计中的轴压比与短柱问题
　　在采用钢筋混凝土建筑的高层建筑中，设计人员为了控制柱的轴压比，使得柱的横截面很大，在柱的纵向钢筋中则是构造配筋，即使在建筑中采用高强度的混凝土，建筑柱断面的尺寸也没有明显的减小。为了使建筑中的柱体处于偏压状态，防止混凝土被压碎，要限制柱体的轴压比数值。建筑中主体的塑性变形能力越小，其建筑结构的延性就越差，当发生地震灾害时，就会出现吸收和耗散地震能量较少的情况，导致建筑结构遭到不同程度的损坏。在建筑结构设计中，应根据强柱弱梁的原则来进行设计，同时选择具有良好延性的梁具，就可以使柱子进入屈服的可能性大大的减少，也可放松轴压比限值。此外，虽然很多高层建筑物的底部柱体长度与直径比都小于4，但并不能说明这一柱体就是短柱。确定短柱参数的依据是柱的剪跨比，只有当柱体的剪跨比小于2时，才能确定该柱体是短柱。曾经有建筑专家提出高层建筑的抗震规范应采取较高的轴压比，但通过实践表明，虽然调整了建筑物的轴压比限值，但柱面并没有因为这一调整而减小，所以在建设具有抗震性能的高层建筑物时，采用钢筋混凝土材质是否合理还有待研究。
　　三、总结：
　　一个好的设计结构也就是一个好的耗能体系，在设计中，要充分注意到等强度设计、高度等重要问题，从而增强建筑结构的整体性，在保证整个建筑结构安全性的基础上，同时增加了建筑的使用期限。
　　参考文献：
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