简述结构设计高层建筑结构设计影响因素

摘要：高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析，多做方案比较。否则任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。本文介绍了高层建筑结构设计的影响因素，探讨了高层建筑结构设计应注意的问题。
关键词：高层建筑结构设计影响因素注意问题

高层建筑结构不但承受着由于外界的风产生的水平方向的荷载，同时也承受着在垂直方向的荷载，并且对于地震的抵抗能力也有要求。一般情况下，建筑结构受到低层建筑结构水平方向上的影响比较弱，然而在高层建筑中，外界地震的影响和外界风产生的水平方向的荷载的影响是主要的影响因素。随着建筑物高度的增加，高层建筑的位移增加较快，但是高层建筑过大的侧移不但影响人的舒适度，同时使得建筑物的使用受到影响，并且容易损坏结构构件以及非结构构件。基于此，在设计高

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层建筑结构时，首先控制侧移在规定的范围之内，所以，高层建筑结构设计的核心是抗侧力结构的设计。

一、高层建筑结构设计的影响因素

1、水平荷载成为决定因素

一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2、高层建筑结构受力性能

对于一个建筑物的最初的方案设计, 建筑师考虑更多的是它的空间组成特点, 而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的, 由于建筑物是由一些大而重的构件所组成, 因此结构必须能将它本身的重量传至地面, 结构的荷载总是向下作用于地面的, 而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系, 所以, 在建筑设计的方案阶段, 就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。
对于低层、多层和高层建筑, 竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的, 但是, 随着高度的不断增加, 竖向结构体系成为设计的控制因素, 其原因有两个: 其一, 较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒; 其二, 侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。与竖向荷载相比, 侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的, 而随建筑高度的增高迅速增大。例如, 在所有条件相同时, 在风荷载作用下, 建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比, 而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比, 地震的作用效应更加明显。在高层建筑中, 问题不仅仅是抗剪, 而更重要的是整体抗弯和抵抗变形, 可见, 高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异。

3、高层建筑结构设计中的扭转问题

建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心,在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点, 即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一, 在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏, 应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局, 尽可能地使建筑物做到三心合一。
在水平荷载作用下, 高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀, 减轻结构的扭转振动, 应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下, 由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制, 高层建筑不可能全部采用简单平面形式, 当需要采用不规则L 形、T 形、十字形等比较复杂的平面形式时, 应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内, 同时, 在结构平面布置时, 应尽可能使结构处于对称状态。

4、 轴向变形不容忽视

任何建筑结构在外力作用下产生的位移都包括弯曲、轴向变形和剪切变形三部分。在低层建筑结构设计中，通常只考虑弯曲变形，而忽略铀向变形和剪切变形的影响，因为一般结构构件的轴力和剪力产生影响较小，可不考虑。而高层建筑由于层数多、轴力大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会对高层结构的内力产生很大影响。此外，高层结构中的剪力墙的截面也往往很大。因此，剪切变形的影响不可忽略。
采用框架体系和框架———剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴向压力往往大于边柱的铀向压力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。故在高层建筑设计中，轴向变形不能不考虑。
在高层建筑结构的力学计算中，根据所选计算手段，所计算的构件变形因素是有区别的。对于简化助手计算方法，一般只计算最基本的变形。采用计算机方法计算时，计算的变形因素要多一些。
当用空间协同工作方法时，考虑了梁的弯曲、剪切变形，考虑了柱、剪力墙的弯曲、剪切和轴向变形；当用完全的三维空间分析方法时，除考虑了前面全部变形外，还增加了梁、柱、剪力墙的扭转变形，以及剪力墙墙体截面的翘曲变形。

二、高层建筑结构设计应注意的问题

1、结构选型。对于高层建筑结构而言，在工程设计的结构选型阶段应注意以下几点：

（1）结构的规则性问题。新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件。而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
（2）结构的超高问题。对于超高限建筑物,应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下,超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加,许多影响因素将发生质变,即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围,如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。，因此，必须对结构的该项控制因素严格注意。
（3）嵌固端的设置问题。不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性,而且还影响结构产生侧移的真实性, 以及结构局部的经济性,由于高层建筑～般都带有地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，高层建筑在进行结构分析计算之前必须首先确定结构嵌固端的所在位置,在这个问题上，结构设计工程师需要注意如下几个方面如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等。

2、地基与基础设计

对高层建筑来说，在抗震设计中，房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。不仅仅由于该阶段设计过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行，同时，也是地基基础整个工程造价的决定性因素，在这一阶段，所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。

3、结构计算与分析

在结构计算与分析阶段，如何准确，高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理。
（1）首先基本选定结构方案后, 紧接着就是高层结构设计的核心部分--结构计算由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分内容进行了调整和改进，因此，对这一阶段比较常见的问题应该有一个清晰的认识。
（2）周期折减系数，在高层结构中设置了非结构的砌体填充墙,在结构计算时应考虑其对主体结构的影响。周期的折减应考虑到门窗洞口的设置对周期的影响,不同的结构类型和填充墙的多少也决定了周期折减系数的取值,而不能一概而论。
（3）振型数目是否足够。阵型数的多少与结构的层数有关,对振型的取值都有较为明确的规定。在新规范中增加一个振型参与系数的概念，并明确提出了该参数的限值。因此,在计算分析阶段, 根据规范要求对计算结果进行判断,并决定是否要调整振型数目的取值。
参考文献：
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