高层建筑结构设计问题探究

　　摘 要：随着我国高层建筑的迅速发展，建筑高度也在不断的增加，其建筑类型与功能的越来越复杂化，结构体系也变得更加多样化，对高层建筑结构设计的要求也越来越高，成为结构工程师设计工作的主要重点和难点。本文对高层建筑结构设计中的高宽比的规定、材料的选用和结构体系问题、轴压比与短柱问题等问题进行分析，并针对不同问题总结了不同的解决方法。

　　关键词：高层建筑,结构,设计,质量

　　1、高宽比的规定

　　作为结构整体刚度、抗倾覆能力、整体稳定、承载能力的宏观控制指标的高层建筑结构高宽比，对其所作规定是长期工程经验的总结，从当前大部分A级高度的高层建筑来看来，规定其高宽比值是较为实用且较经济合理的。对于结构高宽比的要求从侧向位移、结构稳定、抗倾覆能力、承载能力等性能的规定也可体现出来。当这些规定得到满足时，就不一定要满足高宽比的规定，该规定不再是超限高层建筑抗震专项审查的一个指标，它着重“不宜超过”。然而实际建筑工程中，超过高宽比限制的例子却很多。因此，当高宽比超过限制时，准确对结构进行更符合实际受力状态的计算分析，例如，对安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等进行认真的分析，设计出更切实可靠的构造措施。

　　2、材料的选用和结构体系问题

　　建筑材料或结构体系的选用是在地震多发区工程技术人员较为重视的问题。目前我国150m以上的建筑结构通常采用三种主要结构体系：框一筒、筒中筒和框架一支撑。在国外着三种结构体系也被经常采用。然而，国外在地震区的建筑结构多以钢结构为主，而在我国，钢筋混凝土结构及混合结构却占了总结构的90%。钢筋混凝土结构及混合结构如此之高，无法承受得住较大地震作用的考验。80%以上的地震作用剪力主要是由混合结构的钢筋混凝土内筒所承受，有的甚至达90%以上。由于钢筋混凝土核心筒是其主要结构，这就不利于对变形的控制。但因弯曲变形的侧移在钢筋混凝土核心筒较大，钢框架的靠刚度又很小，在协同其工作时侧移在减小，这样不仅使得钢结构的负担增大，且效果也不明显，这就不得不对混凝土筒的刚度或设置伸臂结构作加大处理，在形成加强层后，才满足了规范侧移限值。除此之外，要在结构体系或柱距变化时进行结构转换层的设置。

　　3、轴压比与短柱问题

　　对柱的轴压比进行控制来增大柱的截面，而构造配筋由柱纵向钢筋组成，这是当前钢筋混凝土高层建筑结构中常用的方法，其也就是采用高强混凝土，并保证柱断面尺寸不明显减小。为了能使柱子处于大偏压状态，防止受拉钢筋还未被屈服其混凝土就已被压碎。限制柱的轴压比是一个最好的方法。减小了柱的塑性变形能力，其结构的延性就变得很差，尤其在遭遇地震时，就不能很好的耗散和吸收地震能量，从而严重破坏了其结构。然而，如果在结构中若能确保强柱弱梁设计，且拥有延性较好的梁，这样大大减少柱子进入屈服的可能性，此时，可轴压比限值就可稍作放松。此外，长细小于4的层柱不一定都是短柱。因为柱的剪跨比才是确定是否为短柱的参数，短柱是剪跨比小于2的柱。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。

　　4、提高建筑结构设计质量的措施分析

　　4.1运用结构设计概念 ，进行结构优化

　　在计算中,要充分考虑在满足技术条件下的经济性 。不能随意加大配筋量或加大构件的截 面 ,造成 “肥梁 、胖柱 、深基础 ” 、有些设计人员“算不清 ,加钢筋 ”和“层层附加保险性”以至配成超筋梁柱。要始终牢记“强柱弱梁 、强剪弱弯、强压弱拉原 则”,注意构件的延性性能 ,加强薄弱部位 ,注意钢筋的锚固长度 ,尤其是钢筋的直线段 锚固长度 ,考虑温度应力的影响。除此之外,还应注意按均匀对称规整原则考虑平面和立面的布置，综合考虑抗震的多道防线 ,尽量避免薄弱层的出现 ,以及正常使用极限状态的验算等等这一点要作为我们的设计理念之一来重视 。在结构设计中还需注意考虑优化设计 。一个结构设计从结构选型、布置 、分析计算、截面设计到细部处理的整个设计过程中 ,综合考虑各方面因素,确定合理的分析 、处理方法 ,力求得到最为经济合理的结构设计方案。

　　建筑师确定建筑方案后,结构也应综合考虑各方面因素 ,尽量采用最简单 、经济、合理的方案。各个受力构件的布置要全面考虑它可能承受的各种荷载。竖向承重构件不仅是将竖 向荷载传递到基础上 ,同时还要承受风和地震等水平荷载 ,有时还有温度应 。因此 ,布置时还要注意将它放在有利于承受水平荷载和温度应力的位置。除此之外,还要考虑楼板刚度是否满足整体工作的要求,对剪力墙间距进行限制。水平承重构件的布置同样也要考虑多方面的因素 ,力求传力路径简洁，以最快的方式将楼面上的荷载传递到主梁上 ,再由柱 、剪力墙等传递到基础、地基。地基基础中地基土的不确定性很强,至今还没有哪个模型能够对其作精确的描述。因此 ,在地基基础的设计中,更需要根据基本理论知识以及丰富的实践经验 ,分析 、预见可出现的各种问题 ,从而找到最合理的处理方案。

　　4.2做好与相关专业人员的沟通

　　结构设计工作不能孤立独行,需要与其他专业多沟通,多配合。因此要提高结构设计水平,不但要具备本专业的扎实的基本功,还要对相关专业有基本的了解并取得相关专业的支持和配合。涉及其他专业的技术问题,结构工程师要积极组织和参加各专业的协调会议,统一标准,达成共识,最终确定设计原则,做到透彻把握建筑意图、充分了解设备专业的功能和需要,避免在出图后因各专业不协调而导致的变更和返工。

　　4.3正确运用计算机辅助设计

　　当前,计算机辅助设计系统在建筑设计领域被广泛应用,工程师在计算机上进行结构分析工作,用计算机辅助完成大部分的图纸设计,因此了解计算机程序的功能、正确使用设计软件直接影响到结构设计的水平。中国建筑科学研究院PKPMCAD 工程部开发的PKPM系列微机建筑工程CAD 系统、广东省建筑设计研究院和深圳市广厦科技有限公司联合开发的广厦建筑结构CAD等等都是比较优秀的建筑设计软件,涉及的内容比较全面,与AUTOCAD兼容,可操作性强。需要指出的是设计软件都是根据国家现行规范的要求结合不同的结构体系的受力特点加以模拟简化得来,因而设计软件都有一个有效使用期限和合理适用范围。随着建筑业的发展,建筑物规模越来越大,形式也日趋复杂,使得建筑结构设计的内容增多,难度增大,这就要求设计人员了解所使用软件的特点和适用范围,熟悉和掌握各项参数的选取条件,真正做到计算机为人服务,为工程设计服务。

　　4.4综合考虑优化结构设计

　　在结构设计中要考虑优化设计,综合考虑各方面因素,尽量采用最为经济和合理的方案。全面考虑各个受力构件的可能承受的各种荷载,竖向承重构件把竖向荷载传递到基础上,还承受风和地震等水平荷载,以及温度应力,这些都要考虑到,布置时要把承重构件放在有利于承受水平荷载和温度应力的位置。要限制剪力墙的间距,确定楼板刚度满足整体工作的要求。水平承重构件的布置,也要综合考虑多方面因素,力争做到传力路径简短,以最快的方式将楼面上的荷载传递到主梁上,再由柱和剪力墙传递到基础和地基。在设计地基基础时,要根据基本理论知识,结合丰富的实际经验,预见可能出现的各种问题,并分析出合理的解决方案。计算过程要牢记“强柱弱粱、强剪弱弯、强压弱拉”的原则,不可随意加大配筋量,要考虑构件的延性性能,对薄弱部位注意加强。对于钢筋的锚固长度尤其是直线段锚固长度,要注意温度应力的影响。平面和立面的布置,要按照均匀、对称和规整原则进行,考虑多道防线,力争避免出现薄弱层。结构的选型和布置及计算的整个设计过程,要综合考虑各方面因素,并进行极限状态的验算,以保证结构设计的方案安全合理。

　　参考文献：

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文章名称： 高层建筑结构设计问题探究

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