浅谈高层建筑结构设计的分析

摘要：随着我国城市现代化建设的不断推进，其在建筑结构上，越来越追求高层建筑。而高层建筑在结构的设计上，在设计理念、设计方法上都有严格的要求。进而，在对于高层建筑结构设计中，需要综合考虑大楼的用途和功能进行全面的设和规划。本文分析了高层建筑结构形式特点的基础上，从不同角度对加强高层建筑结构设计的思路进行了分析。

关键词：高层建筑;结构设计;设计分析

一、高层建筑结构设计原则

适用、安全、经济、美观、便于施工是进行建筑结构设计的原则。一个优秀的建筑结构设计往往是这五个方面的最佳结合。完美的建筑结构设计就是在努力追求这五个方面的最佳结合的过程中产生的，适用、安全、经济、美观、便于施工是结构设计人员最终努力的目标，是结构设计的最佳体现。

结构设计一般在建筑设计之后，“受制”于建筑设计，但又“反制”于建筑设计。结构设计不能破坏建筑设计，应满足、实现各种建筑要求;建筑设计不能超出结构设计的能力范围，不能超出安全、经济、合理的结构设计原则。结构设计决定建筑设计能否实现，从这个意义上讲，结构设计显得更为重要，虽然一栋标志性建筑物建成后，人们只知道建筑师的名字，但一个适用、安全、经济、美观、便于施工的结构设计也是工程师们的骄傲和成就。

二、高层建筑结构的受力特点

建筑结构所受的外力（作用）主要来自垂直方向和水平方向。在低、多层建筑中，由于结构层数少、平面尺寸较大，其高宽比很小，且结构受风荷载和地震影响也很小，故结构以抵抗竖向荷载为主。也就是说，竖向荷载往往是结构设计的主要控制因素。在高层建筑中，首先，在竖向荷载作用下，各楼层竖向荷载所产生的框架柱轴力为：边柱N=wlH/2h，中柱N=wlH/h，即框架柱的轴力和建筑结构的层数成正比;边柱轴力比中柱小，基本上与其受荷面积成正比。就是说，由各楼层竖向荷载所产生的累积效应很大，建筑物层数越多，底层柱轴力越大;顶、底层柱轴力差异越大;中柱、边柱轴力差异也越大。

其次，在水平荷载作用下，作为整体受力分析，如果将高层建筑结构简化为一根竖向悬臂梁，那么由其底部产生的倾复弯矩为：水平均布荷载Mmax=qH2/2，倒三角形水平荷载Mmax=Qh3/3，即结构底部产生的倾复弯矩与楼层总高度的平方成正比。就是说，建筑结构的高度越大，由水平作用对结构产生的弯矩就越大，较竖向荷载对结构所产生的累积效应增加越快，其产生的结构内力占总结构内力的比重越大，从而成为高层结构强度设计的主要控制因素。

高层建筑结构的主要受力构件有剪力墙、框架柱、梁和楼板。剪力墙、框架柱是竖向构件，它们是形成结构抗侧力刚度的最主要构件，承担着整个结构的竖向荷载和绝大部分水平荷载;框架梁、楼板是水平构件，结构各楼层的竖向荷载通过楼板传至框架梁再传给竖向构件，同时，对结构抗侧力刚度也有贡献颇的框架梁，还和竖向构件一起承担整个结构的荷载水平荷载;次外，有些高层建筑结构还有斜向构件，它们对结构抗侧力刚度贡献很大，对构件之间的传力起着重要作用，除自重外，一般不直接受荷。

结构在水平阵风作用下，当振动加速度α超过0.015G时会使人的正常生活受影响，因为加速度α=A（2πf），当频率f为定值时，α与振幅A成正比，因此结构的侧移幅值的大小要受限制。过大的侧移易使隔墙、围护结构以及高级装修受损，地震或阵风引起的过大变形也会造成电梯轨道无法使用。结构过大的变形会引起结构的二阶效应，造成结构杆件产生附加内力，影响结构承载力。

三、高层建筑结构的消防安全结构设计

高层建筑结构在结构的设计上，比较的注重其结构风格和美观上的设计。进而，其楼层结构需要使用到大量的高分子的现代材料，尤其是墙体的装饰物越来越易燃化。因此，在高层建筑的结构设计过程中，整体结构的消防结构非常的重要，同时作为建筑结构最基本的结构，其在设计的过程中，就需要充分的考虑到消防结构的实用性。

（1）建筑结构的外围墙体消防结构设计

现代的高层建筑，其在外墙的装饰设计的过程中，大量的采用了高分子的易燃材质，而且基于大楼的面积大。所以其外围的消防结构需要比较的紧凑，而且消防设备需要大型化。同时消防用水的管道可以双管道德设计方法，进而起到双保险的作用。而且在各个易燃点处，合理的分置消防设备，这样可以很好的减少大楼整体性着火可能。

（2）高层建筑的结构内部消防设计

高层建筑的内部结构比较的复杂，进而，在内部结构的消防处理上，需要进行系统的消防设计。在设计的过程中，需要做到关键点，都安装有必要的消防设备。而且，消防用水要与实际的生活用水分开，尽量避免消防的用水紧张。当然，大楼结构的消防安全，还需要大楼的各个用户加强消防意识，这样才能更好的保障大楼的消防安全。

四、高层建筑结构的变形特点

在竖向荷载作用下，高层建筑结构的变形主要是竖向构件的压缩变形。由于各竖向构件的应力大小不同，因而其压缩变形大小也不同。在水平荷载作用下，高层建筑结构最大的顶点位移为：水平均布荷载△max=qH4/8EI，倒三角形水平荷载△max=11qH4/120EI，式中EI为结构，从以上可看出，结构顶点位移与其总高度的四次方成正比。则又比水平荷载作用下的内力累积效应增加更快，这就说明，高层建筑结构对结构的水平侧移是相当敏感的。水平荷载作用下所引起的结构内力及侧移是高层建筑结构设计的主要控制因素。所以结构应具备较大的抗侧度，而不仅仅满足强度、刚度和稳定要求。

五、加强高层建筑结构的计算与分析

随着计算机技术以及结构设计理论的发展和完善，计算机软件在结构设计中的使用日益增多。但是，数值计算并不能完全替代人的主要设计概念，因为在充分利用计算机设计的过程中，必须充分了解软件设计的内在要求和适用性。总之，在结构的计算和分析阶段，必须在保持对计算和分析过程、结果有充分认识的基础上，准确的利用计算软件根据规范进行深入细化的计算和分析，这一处理结果的好坏实际上也决定了设计质量好坏的关键。SATWE、TAT、ETABS、SAP、MIDAS等式目前比较通用的结构分析软件。根据工程整体结构计算的要求，选择合适的软件来建立合理精确地模型，对不同软件计算的结构进行横向比较，为最终的设计工作奠定基础。

把握高层结构设计中的注意环节

（1）周期折减系数。在高层结构的周期分析中，很容易忽略掉非结构的砌体填充墙所带来的影响。显然，周期的折减应考虑到非结构性构件的影响作用，而且不同的结构类型和填充墙的形式也决定了周期折减系数的取值。

（2）选择足够的振型数目。通常对于规则高层建筑而已，选择其前三阶振型计算即可满足计算要求，在分析的过程中，应依据规范要求对计算结果进行合理判断;但对于一些不规则的高层结构而已，或者对于一些有特殊构件的结构而已，局部的振动也必然存在，此时因根据具体的振动特性来选择振型数目的取值。

（3）明确多塔之间的藕联计算。在高层建筑结构形式中，主塔建筑和裙塔建筑构成的藕联体系是一种常见的结构形式，按结构的受力特点，将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算是满足力学基本要求的规定，但是很多工程师为了计算的方便通常都是分开单独计算，这样处理显然是存在问题的。当多塔间刚度相差较大的时候，两者之间就存在“耦合效应”，此时若忽视掉就必然使得塔楼的计算误差仍然有较大，从而导致结构出现不安全的隐患。

结语

在我国城市化建设的进程中，高层结构建筑逐渐成为当今城市建设的主要建筑。尤其是其在一定程度上减缓了城市的用地紧张，因此，非常适合当今城市的文明化进程。然而，高层结构建筑在设计技术上具有严格的要求，其要求结构的受力结构合理以及抗自然灾害的性能优良，这些最关键性的设计元素都得在设计的过程中，作为主要考虑的设计元素。

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