基于高层建筑结构设计的研究与分析
摘要：随着科学技术的不断进步以及社会的迅速发展，在当今的城市建设过程当中随之出现了越来越多的高层建筑，并且在高层建筑的设计上也出现了许许多多的新变化和新发展，由此可见，高层建筑结构设计已逐渐成为了当今高层建筑的核心内容。

所以，对高层建筑的结构设计方面的相关问题进行研究是十分有意义，也是非常重要的。

本文简要的分析了高层建筑的结构特征，并深入的探讨了高层建筑设计的相关问题，希望能够对我国高层建筑结构今后的设计工作产生积极的作用及影响。

关键词：高层建筑；结构设计；研究与分析
中图分类号：[tu208.3] 文献标识码：a 文章编号：
引言
随着社会经济的迅速发展和建筑功能的多样化，城市人口的不断增多及建设用地日趋紧张和城市规划的需要，促使高层建筑得以快速发展。

另一方面由于轻质高强材料的开发及新的设计计算理论的发展，抗风和抗震理论的不断完善，加之新的施工技术和设备的不断涌现，特别是计算机的普及和应用以及结构分析手段的不断提高，为迅速发展高层建筑提供了必要的技术条件。

一、高层建筑结构设计的特点高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高
低等。

其主要特点有：（一）水平力是设计主要因素在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。

而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。

因为建筑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，仅与建筑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所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。

另一方面，对一定高度建筑来说，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，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

（二）侧移成为控制指标与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。

随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与建筑高度h的4次方成正比（△=qh4/8ei）。

另外，高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗推刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，否则会产生以下情况：1.因侧移产生较大的附加内力，尤其是竖向构件，当侧向位移增大时，偏心加剧，当产生的附加内力值超过一定数值时，将会导致房屋侧塌。

2.使居住人员感到不适或惊慌。

3.使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，使机电设备管道损坏，使电梯轨道变型造成不能正常运行。

4.使主体结构构件出现大裂缝，甚至损坏。

（三）抗震设计要求更高有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用
时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。

（四）减轻高层建筑自重比多层建筑更为重要高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。

从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基的情况下，减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层有突出的经济效益。

地震效应与建筑的重量成正比，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。

高层建筑重量大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，还由于重心高地震作用倾覆力矩大，对竖向构件产生很大的附加轴力，从而造成附加弯矩更大。

（五）轴向变形不容忽视采用框架体系和框架——剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，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，此种轴向变形的差异将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁中间支座沉陷，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。

二、高层建筑结构设计相关问题的分析（一）受力性能方面的问题通常在高层建筑设计的最初阶段，设计人员考虑较多的就是建筑物的空间组成特点，而并非是确定高层建筑的具体结构。

高层建筑的地面对其空间形式的水平方向及竖向的稳定有着十分重要的影响，由于高层建筑一般都是由重而大的结构构件所构成，所以，建筑物的结构应当把其自身的重量传送到地面上，建筑物结构的荷载通常是向下对底面产生作用的，而高层建筑设计的基本要求之一就
是弄清地基承载力和向下作用力二者之间的关系，因此，在设计建筑物的方案时，就应当对主要承重墙以及承重柱的分布与数量进行总体上的设想。

（二）扭转方面的问题高层建筑物的三心包括结构重心、刚度中心及几何形心，在设计建筑物结构时，必须保证三心合一，也就是将三心最大限度的汇合为一点。

高层建筑结构扭转方面的问题指的是在设计结构时，并没有真正的确保三心合一，进而在水平荷载的不良作用之下发生结构扭转振动效应。

为了能够有效的防止高层建筑由于水平荷载的作用所导致的扭转破坏，那么在设计结构时就应当合理的选择平面布局与结构形式，从根本上保证三心合一。

（三）振动周期和侧移方面的问题高层建筑结构的振动周期主要包括两个方面：（1）将自振周期和场地特征周期尽可能的错开；（2）对结构自振周期进行合理的控制。

1 高层建筑结构的自振周期方面通常其自振周期应当保持的范围为：筒中筒、剪力墙结构的自振周期在0.04n至0.10n之间；框筒、框剪结构的自振周期在0.08n到0.12n之间；框架结构的自振周期为0.1n到0.15n之间，其中n是结构层数。

高层建筑结构的第二及第三周期应当保持的范围为：第二周期在1/3到1/5的自振周期之间；第三周期在1/5到1/7自振周期之间。

2 共振问题当高层建筑所在地发生地震的时候，若高层建筑的场地特征周期接近于高层建筑的自身周期，那么很容易导致场地与建筑物的共振。

所以，在设计建筑方案结构时应当预先对特征周期进行估算，通过合理的选择结构体系及结构类别，合理的对结构层数进行调整，扩大特征周期和自振周期二者间的差
别，防止产生共振问题。

除了以上诸多问题之外，在设计高层建筑结构时，还必须重视单位面积重度、剪重比以及位移限制等问题，应当保证这些数值和指标的合理性和正确性，从结构的竖向、结构体系的选择及平面布置等各个方面进行深入的思考，将层间位移和顶点位移并重对待，尤其要注意角点位移的大小与合理性，注意剪重比和单位面积厚度的实际值与高层建筑结构的实际情况相契合。

结束语
建筑结构设计是一项系统的、全面的工作,在设计中存在的问题是多种多样的,需要扎实的理论知识功底,灵活创新的思维和严肃
认真负责的工作态度。

通过加深对建筑结构设计内容与原则的认识,注意结构设计中常见的问题,可以有效地提高结构设计水平。

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