浅析现行高层建筑结构设计中值得注意的问题
关键词：高层建筑,结构设计,分析研究
1 引言
建筑结构设计对于建筑工程的质量和效率有较大的影响，需要对其进行深入的考虑和分析，以保证设计的合理性。本文探讨了在建设结构设计中存在的常见问题，并针对这些问题提出一些切实可行的解决对策，以不断提高建设结构设计的安全性和时效性，满足人们对建筑设计形态的要求。
2建筑结构要点
2.1刚柔并重的结构体系。
正确合理的建筑结构体系应当是刚柔并重，工程实践表明，结构太刚则变形能力差，强大的破坏力瞬间袭来时，需要承受的力很大，容易造成局部受损最后全部毁坏;而太柔的结构虽然可以很好的消减外力，但容易造成变形过大而无法使用甚至全体倾覆。显然对于结构设计人员来说，结构怎样选取以达到刚柔并重这是设计核心之一。较柔的结构体系易于找到共同受力的构件以协同消化和抵抗外力，但结构过柔将产生变形以适应外力，太柔的结果必然是太大的变形，甚至会导致立足不稳而失去根本。必然结构体系最适宜就是做到刚柔并重。必要刚度可有效地控制建筑变形在允许范围内，而必要的柔将有效地提高建筑消化转换外力的能力。
2.2 多道防线设计。
安全的建筑结构体系必须做到层层设防的，当遇到突如其来的荷载时，建筑中所有抵抗外力的结构都在通力合作，而不应当把荷载全部寄托在某个单一的构件上。即使在设计中结构的计算是正确的，但要绝对安全的防备构件是不存在的，所以多道防线设计是应当考虑的。
2.3 相对静定结构体系。
在建筑结构体系中，不同类型的构件相接处或者同一构件截面改变之处即为节点。考虑结构的受力特点，应主要从结构的轴力和弯矩进行分析，在无弯矩的情况下，轴力在截面上时均匀分布，能够充分利用材料的强度;而弯矩产生的应力在截面上为三角形分布，没有充分利用材料的强度，因此，在结构的受力特点分析中主要考虑结构中的弯矩的分布及最大值。在相同跨度和相同荷载下，简支粱的弯矩最大，伸臂粱、静定多跨粱、三铰刚架、组合结构的弯矩次之，而桁架结构的弯矩为零。在工程中简支粱多用于小跨度结构;伸臂粱、静定多跨粱、三铰刚架、组合结构可用于较大跨度的结构;而大跨度结构通常采用桁架结构或者拱结构。在实际工程中，除考虑受力特点之外，还应考虑结构的施工、几何特点、构造本身。
3 抗侧力结构设计要点问题分析
从建筑的外部结构来看，高层建筑与多层建筑之间的差别主要表现在层数和高度的差距，从结构设计的原理及方法上看，两者基本一致，没有实质性的差别，设计的重点主要是抵抗竖向及水平荷载作用。但是在实际设计的过程中，我们也应该意识到，随着建筑愈来愈高，愈来愈复杂，抵抗外荷载的难度和要求也愈来愈高，需要使用更多的结构材料，特别是用于抵抗水平荷载作用，因此抗侧力结构成为大底盘、多塔楼、带高位转换层的高层建筑在设计上的主要问题，大量理论研究和实践经验告诉我们，在这个问题上，应注重以下几个方面：
3.1 将水平荷载列为结构设计控制的主要因素
在设计上我们对结构内力、位移与高度之间的相互关系进行综合考虑后发现，除了轴向力是与高度之间是正比例关系以外，随着高度的上升，位移和弯矩都不是线性变化的，而是呈现出指数曲线上升形态，从这个角度出发，随着高层建筑层数的增加，对水平荷载的控制显得越来越重要，成为控制的主要因素。实践证明，设计上必须思考水平力作用下结构是否优化，同时该问题对材料的用量也有很大的影响。
3.2 将侧移作为重要的控制指标
将高层建筑与多层建筑结构设计相比，前者应比后者更多的关注与结构侧移，应将结构侧移作为高层建筑结构设计中的一个关键性的控制因素。相关调查资料显示，侧移的危害是相当大的，是填充墙或建筑装饰开裂或损坏的主要原因，从业主心理来看，居住人员会因为建筑物发生明显侧移而感到不适或惊慌;从结构上看，侧移将给建筑构件带来较大的附加内力，特别是对竖向建筑构件而言，一旦侧向位移有所增大将偏心加剧，使主体结构构件出现大裂缝，甚至损坏，当附加内力值达到一定的数值后将引起整个建筑物的侧塌。理论研究和大量实验表明，随着高层建筑层数的增加，在水平荷载作用下结构的侧移变形呈现出迅速增大状态，所以，在设计上必须将结构在水平荷载作用下的侧移作为重要指标进行严格的控制，必须将其控制在某一限度之内。
3.3 抗震结构设计要重视
地震带来的灾难是毁灭性的，但是有些却是可以通过提高建筑物抗震结构来避免的，为此，对高层建筑的抗震结构设计应引起足够的重视，高层建筑都有着一定的抗震要求，随着高层建筑高度的增加，地震的作用力带来危害的可能性也会越来越大，因此，高层建筑结构的抗震设计倍加重视，特别是在地震区，需要进行严格的地震作用计算，对于非地震区的高层建筑在结构设计上，仍需要将抗震的构造措施作为重要的考虑因素。在抗震结构的设计上，我们应该注意到高层建筑随着高度的增加显得更柔一些，如此一来，受到地震作用势必将引起更大的变形，为了有效地防止出现倒塌事故，在构造的设计上必须积极采取合理的措施，保证建筑结构具有足够大的延性，也就是说确保当建筑结构在进入塑性变形阶段后仍能表现出超强的变形能力。
3.4轴向变形的问题亦不容忽视
虽然说，随着高度的上升，位移和弯矩呈现出指数曲线上升形态，对水平荷载的控制显得越来越重要，成为控制的主要因素。但是我们也应该意识到，轴向力是与高度之间是正比例关系，随着高层建筑高度的增大，其竖向荷载数值也是相当大的，势必导致柱受力产生较大程度的轴向变形，进一步影响到连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大。理论研究和实验结构表明，轴向变形问题对预制构件的下料长度也会构成较大的负面影响，在设计上需要仔细分析轴向变形的计算值对下料长度实施调整。除此之外，实验研究表明，轴向变形对建筑结构的影响并非是孤立的，轴向变形的同时也会对构件的剪力和侧移构成一定的影响，设计中我们应该重视并将构件竖向变形作为一个重要的因素，否则设计计算中将会得出偏于不安全的计算结果。
3.5 从结构计算和构造上满足规范要求
从结构计算角度,看结构计算应注意的问题避免荷载计算的错误。诸如漏算或少算荷载、活荷载折减不当、建筑物用料与实际计算不符, 基础底板上多算或少算土重。底框砌体结构验算时就应注意:底部剪力法仅适用于刚度比较均匀的多层结构,对具有薄弱层的底层框架混合结构,应考虑塑性变形集中的影响,通常对底层地震剪力乘以1.2~1.5 的增大系数;底层框架混合结构的剪力分配不能简单地按框架抗震墙的方法。因为底框架结构中只有底层框架抗震墙,应采用双保险的方法,抗震墙承担全部剪力,框架按刚度比例承担剪力。刚度计算时,框架不折减,抗震墙折减到弹性刚度的20%~30%;应考虑底层框架柱中地震作用产生倾覆力矩所引起的附加轴力。
综上所述, 建筑设计人员为了有效地设计出经济合理的建筑结构，还在掌握设计规范的基础上，充分结构的受力状态而进行设计;同时应当考虑到所设计的建筑所采用的材料造价问题，以使得结构更加结合实际情况而且受力合理。
参考文献：
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本文选自《建筑界》。 《建筑界》杂志(月刊)，是由江苏商报社主管主办的省级建筑科技类学术期刊，国内统一刊号CN：32-0118，国际标准刊号ISSN：1671-9955，邮发代号：27-128。
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