宋泰华 张荃
河南省建筑科学研究院有限公司 河南 郑州 450000
【摘要】高层建筑的房屋高度和结构体系的发展是和科学技术、经济、材料科学的发展密切相关的，随着城市形象和土地使用要求以及我国对高层建筑关键性技术的控制能力，高层建筑已十分常见，使得高层建筑的结构设计问题逐渐引起人们的重视。随着建筑行业的高速发展，高层建筑逐渐成为现代建筑的主角，人们在高层建筑设计方面需要做出巨大的思考和突破，研究高层建筑在结构设计方面存在的问题，并将问题尽快解决是关键。高层建筑结构设计就变得尤为重要，因为其直接影响着高层建筑物的质量、使用和经济性问题。
【关键词】高层建筑;结构设计;关键性问题
引言：随着建筑高度的增加，结构设计的难度也在增大。结构设计的合理与否是高层建筑能否实现社会价值和经济价值的前提。基础设计在高层建筑的结构设计中占据着重要的位置。合理的基础设计既能够保证高层建筑的安全性、稳定性，又能够节约建设成本。
1 高层建筑的结构设计特点
1.1 水平载荷成为设计的决定性因素
随着高层建筑的高度越高，结构所承受的竖向荷载和水平荷载也越大。竖向荷载引起的轴力和弯矩数值与建筑高度的一次方成正比，而由水平荷载引起的结构倾覆力矩以及由此在竖向构件中引起的轴力却与建筑高度的二次方成正比。高层建筑所受的水平荷载主要是风荷载和地震荷载，在其高度一定的情况下，建筑的竖向荷载引起的内力基本上恒定的，但在风荷载和地震荷载作用下引起的内力却是随着结构动力特性的不同而有着较大的变化。由此可见，对于高层建筑而言，其所受的水平荷载起着决定性的作用。
1.2 抗震延性设计应予以重视
高层建筑因其自身的结构特性和重要性，除了要考虑正常使用时的荷载，还要确保其自身具有良好的抗震性能，做到小震不坏、中震可修、大震不倒。高层建筑的抗震性能主要由其延性决定。延性就是指混凝土结构具有足够的塑性变形能力。良好的延性结构能有效地消耗地震力并降低结构刚度，使得结构受到的地震力作用变小，并能够有效防止脆性破坏的发生，使得结构具有足够的安全性和可靠性。
1.3 水平侧向位移是控制指标
高层建筑因其高度较高，水平侧向位移是结构设计中重要的控制指标。建筑高度越高，在水平荷载作用下产生的侧向位移就越大。侧向位移会使结构产生附加内力，对于竖向构件而言，侧向位移越大带来偏心加剧，由此产生的附加内力超过一定限值时会导致剪力墙、框架柱等竖向构件开裂破坏，严重的会引起房屋倒塌;侧向位移过大还会使填充墙、建筑装饰等非结构构件损坏，电梯轨道变形造成不能正常使用;另外较大的侧向位移还会引起住户的不适和恐慌，譬如风荷载作用下高层建筑的水平振动过大会使人感到不安。
1.4 重视轴向变形的影响
与多层建筑计算内力和位移时只考虑弯曲变形相比，高层建筑因為层数多，高度大，其所受的轴力也很大。较大的轴力使得高层结构的竖向构件沿着高度方向有着明显的轴向变形。尤其对于超高层结构，其不同竖向构件间的轴向变形差会使得结构内力的大小和分布产生明显变化，因此必须对高层建筑尤其是超高层建筑的轴向变形进行专门的研究和分析。
2 高层建筑的结构设计指导思想
2.1 主体抗侧力结构布置的均匀性和对称性
（1）结构对称性是指主体结构的抗侧力构件平面布置是对称的。现在许多建筑方案为了追求奇特的造型，其结构的对称性较差，设计成类似于L形、T形和S形等不规则的结构，导致其将在水平力的作用下产生较大的扭转变形，这既削弱了结构的整体抗震性能，也不利于非结构构件（例如，填充墙和幕墙）的正常工作。
因此，对于不规则的建筑平面，应进行合理的结构布置，例如合理布置核心筒和剪力墙位置，调整建筑的刚度，使其刚心尽可能靠近建筑物的质心，减少结构扭转变形的不利影响。
（2）结构的均匀性是指主体结构的刚度和变形特性在主轴的两个方向上接近。主体结构的抗侧力构件截面和组成应在垂直方向上均匀地变化，尽量减少突变。楼层刚度的突变会导致应力集中，引发软弱层的出现。某个构件刚度过大导致的应力集中，会使其首先发生破坏，其后连锁反应，形成各个击破的局面，无法发挥结构体系的整体协调性作用。结构设计时应协调布置中部核心和周围的剪力墙，使其刚度分布均匀。这样的主体结构才具有良好的抗扭刚度，不会发生过大的扭转变形，有利于控制结构的扭转位周期比和位移比。
2.2 荷载传递要直接
竖向荷载的传力路径是通过楼盖结构将竖向荷载传递至墙、柱等竖向构件，再由竖向构件传递至基础，再由基础传递至地基。竖向构件宜尽量贯通连续，减少变化或变化缓慢且均匀，减少竖向构件间的压应力二次传递。楼盖结构布置应尽量使竖向荷载以最短路径传至墙、柱等竖向构件。除此之外楼盖结构还起到协调各抗侧力结构工作的作用，应使其具有足够的承载力、刚度和整体性。
3 高层建筑基础设计要点
3.1 重视地基条件对基础受力状况的影响
地基土的分布和压缩性会影响基础的受力情况。如果地基土的压缩性较大，且其压缩性分布还不均匀，就会使得基础的受力情况差异较大。因此根据地勘报告提供的场地地质条件，合理地设计基础形式就显得尤为重要。
3.2 确保上部荷载能有效可靠的传递到地基
在进行基础设计时，应保证其具有足够的强度和刚度能承受上部建筑的荷载，并能将其有效地传递到地基土或者桩基上。
3.3 重视基础刚度对地基反力的影响
对于上部结构刚度可忽略不计的完全柔性基础，其抗弯刚度为零，对荷载的传递没有扩散作用，荷载直接作用在地基土上，基底反力分布与其受到的荷载分布完全一致，基础中不产生弯矩和剪力。在均布荷载作用下，基础沉降形式是中间大两边小，呈盆形;为了使基础均匀沉降，有必要调整荷载，加大两侧荷载减小中间荷载，使荷载分布不均匀。绝对刚性基础的抗弯刚度无限大，无论上部结构刚度的大小和荷载如何分布，基础受力沉降后仍保持为一个平面。实际工程中，基础的刚度是有限的，因此其地基反力的分布介于绝对刚性基础和绝对柔性基础之间。地基反力的分布大致可分为三种：第一，若基础面积足够大，有一定的埋置深度，荷载不大，基础仍处于线性变形阶段，则地基反力分布基本为马鞍形;第二，对于基础埋深不深或所受荷载较大的砂土上的小型基础，由于基础边缘附近的地基土产生塑性变形，形成塑性区，随着塑性区域逐渐扩大，基础边缘的地基土反力向基础中部转移，使得基础中部的地基反力增大，最后呈抛物线形;第三，当上部荷载非常大，接近地基所能承受的极限荷载，此时地基反力更加向基础的中部集中而变成钟形。因此合理选取基础形式，布置基础刚度，对于协调地基反力的分布和基础沉降有重要的作用。
3.4 考虑上部结构刚度对基础设计的影响
有效地利用上部结构刚度可以使基础结构的尺寸得到优化，譬如使得筏板基础和箱型基础的厚度减小，桩筏基础的桩基数量减少。充分考虑基础结构和上部结构的共同作用可以达到减小基础内力和沉降，降低基础造价的目的。
4 结束语
高层建筑逐渐成为城市的主要建筑形式，人们越来越关注高层建筑的质量。高层建筑的结构设计合理性是实现高质量的一个前提条件。随着高层建筑结构形式不断的丰富和发展，了解和掌握高层建筑结构设计的特点，合理的选择高层建筑的基础形式对于确保高层建筑结构安全性和经济性完美地结合具有重要意义。
参考文献：
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