高层建筑结构设计问题分析

1建筑结构概念设计

概念设计即是指建筑结构设计师基于工程经验，对建筑不利的确定性、不确定性因素进行综合分析，依据结构的破坏、失效机理，对建筑进行结构选型、平面布局的调整等，以消除建筑结构在抗震、抗风、经济性等方面的薄弱环节，保证建筑结构安全、经济。

1.1建筑场地的选择

高层结构结构的设计往往是地震响应起着控制作用，建筑结构地震作用下的响应与结构的自振周期、场地特征周期关系比较大。当建筑结构的基本周期与场地周期接近时，结构将会产生共振，地震作用会放大。在目前的抗震设计规范中，场地特征周期是由设计地震分组跟场地类别决定的，建筑场地由特征周期值Tg为分界线，分成了3组，用于区别近震与远震的区别。

场地类别是基于场地土层剪切波速划分的，用于区分不同地基情况对场地特征周期的影响。由表1可以看出，不同抗震设计分组之间场地特征周期逐级增长均值为18.47%，不同场地间场地特征值逐级增长均值为32.78%，从而看出场地类别对建筑场地特征周期的影响较抗震设计分组的影响较大。建筑结构设计人员在进行场地选择时，应根据实际情况进行选择，选择对建筑结构抗震设计有利的场地，规避对建筑抗震不利的场地。

1.2建筑结构选型

建筑结构应具有良好的承载能力、刚度及抗变形能力，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)规定，轴力和结构高度成线性关系；弯矩和结构高度的二次方成正比；位移和结构高度的四次方成正比，结构设计人员应根据建筑结构的高度选择合适的建筑结构类型。

1.2.1框架结构框架结构是用框架柱跟框架梁连接形成的框架，荷载通过梁传到柱上面，柱子为结构的抗侧力构件，框架结构属于“柔性”结构，适用于层数不高的高层建筑。

1.2.2框架-抗震墙结构框架-抗震墙结构体系是由延性框架、剪力墙两个系统组成，可以人为建立一系列分布的屈服区，类似于弹性地基梁的传力。层数不高的部位，框架位移较大，剪力墙位移不大，层数较高的部位，剪力墙位移较大，框架位移不大，剪力墙位移受到框架的“制约”，两者相互作用，横向荷载传到剪力墙上，剪力墙通过连梁，传到框架。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)对框架-抗震墙结构规定，A级高度时不高于70m的建筑，B级高度时不高于170m的建筑。

1.2.3剪力墙结构剪力墙结构是一个固定在嵌固端上的悬臂板，剪力墙为抗侧构件，楼盖在传递竖向荷载的同时，也对剪力墙起到一定的固定作用，防止剪力墙发生平面失稳。剪力墙被连梁连接起来。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）对框架-抗震墙结构规定，A级高度时不高于150m的建筑，B级高度时不高于180m的建筑。

1.2.4钢结构钢结构是利用钢结构柱为主要的竖向受力构件的结构形式，因钢结构的抗压、剪、弯能力比混凝土优越很多，因而钢结构适合建造层数较高的建筑。例如，举世闻名的法国埃菲尔铁塔，总高324m，于1889年建成，得名于设计它的著名建筑师、结构工程师古斯塔夫•埃菲尔。铁塔设计新颖独特，是世界建筑史上的技术杰作，是法国巴黎的重要景点和突出标志。钢结构易于施工，2015年，中国的远大可建公司在湖南省长沙市采用钢结构装配式结构建造200m的“小天城”，仅仅花费19d时间。但是，由于钢结构的造价较高，目前钢结构高层建筑结构并没有很好地推广开来。

2抗震设计

对于高层建筑结构来说，地震力的影响往往是主要控制因素。依据工程经验，建筑结构如果没有良好地抗震设计方法，在地震发生时候，依据抗震计算结果进行的结构配筋、抗震构造措施往往不能发挥很好的作用。因此，在建筑结构设计时，设计人员必须对建筑结构抗震有足够的认识，保证建筑结构具有一定的强度、刚度。

2.1结构平、立面布局

建筑结构的布局应尽量对称、规则，建筑结构质心与刚心不重合，在横向荷载作用下，极容易使建筑结构发生扭转，对结构抗震产生不利影响。因此，在结构设计时，应通过适当增加或减少剪力墙厚度、长度、位置等方法，减小结构质心、刚心的距离。同时，结构设计时，应保证结构竖向抗侧力构件的连续，避免结构形成过大的外挑和内收，《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）也对建筑结构的连续性做了明确的要求。

2.2多道抗震设防

建筑结构设计时，应考虑设计多道抗震防线，结构应具有一定数量的内部、外部赘余度，用延性较好的结构构件连接延性较好的分体体系，使各延性分体体系协同工作，在发生地震时，结构可以吸收和耗散大量的地震能量，保证结构的安全。特别是建筑结构自身周期与场地特征周期接近时，建筑结构的多道防线就更容易凸显优势，当第一道防线应共振作用破坏时，建筑结构的自身周期会发生较大的变坏，从而缓解共振现象，减轻地震作用的影响。图1给出了一些带赘余杆件的耗-------能结构的示例。

2.3延性设计

建筑结构的延性是指结构利用滞回特性吸收与耗散地震能量的能力。结构的延性可分为材料、杆件、构件、结构的延性4个层次，每个杆件都具有良好的延性时抗震结构设计的一个理想目标，但目前的建筑结构设计中很难做到使每个结构构件都具有良好的延性。在结构设计时，可在如下位置注意提高结构构件的延性：在建筑结构的平面突变位置；复杂平面各翼交界位置；加大大底盘与多塔结构连接部位的楼盖：加强转换层结构构件部位等。

2.4整体性设计

在进行建筑结构设计时，应考虑建筑结构的整体性。随着经济水平的迅速发展，装配式的建筑将越来越多，建筑结构的机械化作业将是一个不可阻挡的趋势，结构设计人员更应加强整体性设计的意识，避免发生如唐山地震时建筑结构发生的连续性坍塌，避免建筑结构非结构构件高空坠落伤人。在进行结构设计时，应优先选用整体现浇式的楼盖，保证结构的整体性，同时也能避免竖向结构构件发生侧移。应增设对非结构构件的约束，如采用配筋砌体结构等。

3抗风设计

在高层建筑结构设计中，风荷载是影响建筑结构设计的一个重要因素。研究表明，建筑底部基底力系数随高宽比的增加而增大。高宽比由2.5增至3.75时，基底力系数和弯矩系数变化相对较小；当高宽比从5.0增至6.25时，整体风力系数增大明显。宽厚比为1.0～1.5时，基底力系数和弯矩系数变化幅度不明显，当宽厚比大于1.5后，基底力系数和弯矩系数对宽厚比的敏感度增大，整体风荷载大幅增加。建筑平面的宽厚比控制在1.0～1.5之间为较理想的范围。采用矩形切角和圆角的方式可十分有效减小塔楼顺风向风荷载，其中圆角形式最为有效；当矩形平面中部存在凹槽时，由于凹槽的兜风效应，在一定程度上增加了顺风向风荷载，随着凹槽深宽比的增大而增大，即凹槽越大，兜风增大效应越明显。

4经济性设计

建筑结构设计的三要素为：安全、经济、适用。其中经济性是基于中国现阶段的基本国情，从绿色、生态方面对结构设计人员提出的要求。建筑结构占项目成本投入的20%～30%。目前很多结构设计人员往往盲目相信结构计算软件的计算结构进行结算，追求建筑结构的安全性，忽略建筑结构的经济性设计原则，这一点是不可取的。同时，高层建筑结构具有投资成本大、项目周期长、资金回拢慢等因素的特点，因此，在进行结构设计时，务必要考虑结构的经济性设计原则，选择合理的结构形式和技术措施，减少成本的投入，以实现设计水平提高同时，优化建筑结构设计结果的目标，从而实现利益的最大化。

根据实际的工程项目经验，影响建筑结构经济性的主要因素有：1)建筑结构平面、立面布局；2)场地类别与地基承载力；3)地震烈度；4)建筑层高及建筑功能要求；5)建筑结构荷载选择；6)建筑结构类型等。设计时，应注意控制建筑结构的底层层高，避免底层层高过大；选择材料强度适宜的材料（如钢材选择HRB400级钢筋等）,采用HRB335的钢筋要比HRB400级钢筋浪费8%～10%左右;荷载取值应符合规范、实际工程要求，不能任意增加、减少荷载，造成成本的浪费；楼板设计时应遵守单、双向板计算原理，楼板符合塑形板计算模型时，应按照塑形板进行计算。当双向板配筋过大时，可适当增加梁对双向板进行划分，以控制楼板挠度、减少结构配筋；钢结构设计时，应综合考虑高品质钢的生产、设计、施工的全部造价，选择最优方案。表2为总结多年工作经验的一些含钢量表。

5结语

随着新技术的运用和实际经验的总结，高层建筑结构抗震设计必将得到进一步的发展。在实际工作中，我们需要重视经验的积累和总结，并注重创新，以更好地推动高层建筑结构抗震优化设计的发展，为人们的生产生活创造良好的条件。