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摘要：随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑结构设计也提出了更高的要求。发展先进计算理论，加强计算机的应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。本文主要探讨了高层建筑结构设计的原则、特点、要点，并结合实例进行了具体分析。
关键词：高层建筑;结构设计;原则;特点;应用
Abstract: with the development of social economy and people living standard rise, to the building structure design are also put forward higher request. Development of advanced computing theory, strengthen the application of computer, make the structure design more safe, applicable, reliable, and economy is a top priority. This paper mainly discusses the principle and characteristics of high-rise building structural design, main points, and combined with examples are detailed analyzed.
Key words: high-rise buildings; Structure design; The principle; Characteristic; application
中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
一、高层建筑结构设计的几点原则
1、计算简图要适当：适当的计算简图是结构安全的重要条件，需要有相应的构造措施来保证，计算简图的误差要在设计的规定范围之间。如果是不当的计算简图则会导致结构安全方面的问题产生。所以工程前期设计的这一点要非常注意。
2、基础方案要合适：基础设计是综合分析的结果，要有工程地质环境的参考条件、待建建筑物结构类型、周边建筑物环境分析、载荷的分布状况、合理的经济效益等资料的分析。在详细的地质勘察资料的基础上，通过进行地基变形的验算，尽可能地利用好地基。
3、结构方案要合理：结构方案要有可实行的结构形式、结构体系及经济效益。在结构体系上，同种结构单元最好选择同种结构体系，其受力要明确，传力要简单。通过工程设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析，并与建筑、电、水、暖等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时应进行多方案比较，择优选用。
4、正确分析计算结果：在结构设计中普遍采用计算机技术，但是由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、条件等进行全面了解。
5、采取相应的构造措施：结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯”，注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固要求；考虑温度应力的影响力。
二、高层建筑结构设计特点
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，对某一定高度楼房来说，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、轴向变形不容忽视
高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。
3、侧移成为控制指标
与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
4、结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
三、建筑结构设计的要点分析
1、加强建筑物地基结构设计
为防止或减少由于地基沉降或不均匀沉降引起的构件开裂或破坏，可以从建筑措施、结构措施、地基和基础措施方面加以控制。地基的结构设计应分别就高层建筑与多层建筑考虑不同的设计。对高层建筑来说，由于需要一定的埋置深度，从经济的角度考虑，基础一般采用桩箱或桩筏结合的形式。此时应保证箱体的整体刚度；当土层有较大起伏时，应使用同一建筑结构下的桩端位于同一土层中并应考虑可能产生的液化影响。
2、防止由于地基沉降或不均匀沉降引起的构件开裂或破坏
预防或减少不均匀沉降的危害，可以从建筑措施、结构措施、地基和基础措施方面加以控制。应该引起重视的是：对高层建筑来说，由于需要一定的埋置深度，从经济的角度考虑，基础一般采用桩箱或桩筏结合的形式，此时应保证箱体的整体刚度，群桩布置的形心应与上部结构重心相吻合。常用的软土地基处理方式类型较多，但在选择地基处理方案前，必须认真研究上部结构和地基两方面的特点及环境情况，并根据工程设计要求，确定地基处理范围和处理后要求达到的技术指标，以及各种处理方面的适用性，同时综合考虑处理方案的成熟程度及施工单位的经验，进行多方案比较，最终选定安全实用、经济合理的处理方案。地基经处理后，还必须满足规范所规定的强度和变形要求。
3、关于高层建筑高宽比
《高层建筑混凝土结构技术规程》对高层建筑适用的最大高宽比有明确要求，但在计算高宽比时，对建筑宽度的取法却无明确规定，该条文明确指出“一般情况下，可按所考虑方向的最小宽度计算高宽比，对于不宜采用最小宽度计算高宽比的情况，应由设计人员根据实际情况确定合理的计算方法”，对设计人员来说，难以确定何为合理的计算方法，而且这是一个涉及建筑是否为超限高层建筑的敏感问题，应该有一个较为明确的取法，以便设计及审查人員掌握。
四、工程实例
1、工程概况
工程概况该项目位于某市某路段，主楼27层，高度99.8m；裙楼6层，两层地下室，负2层为机械停车库，局部为核六级人防，建筑宽50m，长100m，为钢筋混凝土框架核心筒结构。本工程位于8度抗震设防区，建筑物的抗震设防类别均属丙类，地震作用和抗震措施均按8度设防。
2、基础设计
2.1地基土构成及特性据勘察揭露，场地地貌单元属于黄土梁洼，拟建场地土层层位稳定，分布连续，地基均匀性较好，属于均匀地基，勘察结果显示勘察范围内地层共16层，其中地下一层黄土为自重湿陷性黄土，地基湿陷等级为Ⅱ类（中等湿陷性）。
2.2结构体系的确定
根据建筑功能的使用要求,本工程为高尚住宅区,底层架空为酒店式大堂,并引入室外景观造景,为此,建筑对底层柱及剪力墙的布置位置有严格的要求,上部住宅部分要求室内方正实用。为了满足上述的要求,本工程采用框支剪力墙结构,在二层楼面设置转换层。因上部墙体多数无法直接落地或落于框支梁上,因而采用了箱高为230cm的箱形转换结构。利用箱体增加转换层的整体刚度,同时箱体的上下层板又增加了框支梁的抗扭性能。配合建筑使用功能合理布置抗侧力构件,以合理控制结构的总体刚度,使之既满足抗震要求又满足抗风的要求。将核心筒剪力墙落地,在建筑物外围及局部突出部位设置70-90cm厚的L型剪力墙,避免出现独立框支角柱,同时将中部部分剪力墙落地,以保证落地剪力墙的数量,满足上下刚度比的要求。
3、主体结构
3.1抗震体系
该工程由塔楼和裙房组成，塔楼27层，层高3.25m，裙房6层，层高5m，塔楼为办公及酒店客房，由于建筑功能要求，走廊通道要求净高2.6m，考虑到设备管线主要集中在走廊布置，故结构采用无梁厚板的结构形式，这是外围框架部分和抗震核心筒的连接较弱，是塔楼整体刚度下降明显，侧移较大，在结构设计过程中，经与建筑、设备协调，本工程将两侧电梯及楼梯围合形成筒体，在一字型塔楼中形成左中右并排三个筒体作为主抗震构件，外围框架与筒体通过200厚板连接。
3.2剪力墙设计
该工程核心筒落地剪力墙厚40cm，除核心筒外,在建筑四角布置70～90cm厚的L型剪力墻。为了使混凝土的受压性能改善，增大延性，设计中控制墙肢的轴压比不大于0.5。墙体的水平和竖向分布筋除满足计算要求外，同时也满足0.3%的最小配筋率的限值。底部加强区的剪力墙中按规范要求设置约束边缘构件，约束边缘构件的纵筋配筋率控制≥1.2%，箍筋不＜Φ12@100，体积配箍率控制≥1.4%，同时，对长厚比＜5的短墙在计算中按柱输入计算进行比较，其结果显示，短墙按墙和按柱计算的结果大致一致。
3.3大跨度桁架
该工程裙房部分在宴会大厅上设置了游泳池，形成了25.5m跨度的大跨度结构，最初设计是采用单向预应力大梁，由于宴会厅抽柱后，使该部分抗侧移刚度减弱，单向预应力梁是裙房部分结构刚度分布更趋复杂，从而使得结构整体自振周期第一周期为扭转振型，而且与泳池相邻大量构架超限，经仔细分析后，采取两项措施优化该处结构体系。
首先在不影响建筑使用功能的情况下，在泳池以北两侧各设置一片抗震墙增加抗侧移刚度，调整整体结构的刚心偏移。
第二是根据建筑布局和使用功能，将单向预应力大梁改为主次梁结构形式，利用游泳池玻璃盖顶的支撑梁，将主梁设计成预应力桁架形式，桁架下弦为游泳池侧壁，上弦为玻璃光棚支撑梁，斜杆、腹杆藏于间隔墙中，利用斜杆、腹杆间隙做门洞、通道及铺设设备管线，该结构形式减轻了结构自重，桁架与周边梁柱连接处刚度变化亦比较平顺，使原计算超限的构件受力趋于合理。
3.4框支梁的设计
该工程框支梁抗震等级为一级。对于两端搁置于框支主梁上的框支次梁，其受力类似简支梁，跨中底筋较大，支座面筋基本按构造要求配置。本工程的框支主梁的梁高230cm（即箱体高度》于梁顶和梁底各设置一层20cm厚的箱板），梁截面尺寸按剪压比0.15控制。梁主筋配筋率除满足计算外，还不小于0.5%，上部主筋沿梁全长贯通，下部主筋全部直通到柱或墙内,沿梁腹部设置不小于Φ16@150的腰筋，于梁中部设置一排Φ20的抗裂纵筋，抗裂纵筋根数同箍筋肢数，梁箍筋全长加密。对其他框支梁，因其受力较大，在靠近柱支座处的应力集中尤为突出，部分梁的计算结果表明，梁端抗剪不足，经过核查该梁各截面剪力设计值，发现框支柱截面内有大部分剪力不足的截面，对此情况的梁截面尺寸不做调整，而对于确实抗剪不足的梁采用梁端水平加腋的方式解决该梁的抗剪能力不足的问题。
3.5局部转换
塔楼北侧外立面柱距4.25m，但6层以下由于建筑使用功能要求，抽掉两根中柱，在最初方案设计时，直接按8.5m柱距至塔楼顶部，因轴力过大，使客房部分柱截面尺寸无法实现建筑立面造型及室内使用功能要求，故施工图阶段改为4.25m柱距，两根中柱在裙房屋面处转换，经过计算比对，该处转换最终选用桁架式转换。如图：
3.6后浇带
该工程南北长度100m，建筑要求不设置变形缝，根据本工程特点，结构设置两条后浇带，一条位于塔楼与裙房交接部位的裙房一侧，该后浇带兼温度后浇带和沉降后浇带的作用，上下贯通，将塔楼和裙房完全分开，带主塔楼完工后浇筑，另一条设置与裙房中部，为温度后浇带。
五、结束语
随着高层建筑的进一步发展，满足高层建筑的形式、材料、力学分析模型也在日趋复杂多元化。为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模式将是土木工程师们的目标和方向。
参考文献
[1] 赵西安．高层建筑结构实用设计方法[M]．同济大学出版社，2001．
[2] 赵西安．现代高层建筑结构设计[M]．科学出版社，2004．
[3] 于险峰．高层建筑结构设计特点及其体系[J]．建筑技术，2009．
关键词：高层建筑;结构设计;原则;特点;应用
Abstract: with the development of social economy and people living standard rise, to the building structure design are also put forward higher request. Development of advanced computing theory, strengthen the application of computer, make the structure design more safe, applicable, reliable, and economy is a top priority. This paper mainly discusses the principle and characteristics of high-rise building structural design, main points, and combined with examples are detailed analyzed.
Key words: high-rise buildings; Structure design; The principle; Characteristic; application
中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
一、高层建筑结构设计的几点原则
1、计算简图要适当：适当的计算简图是结构安全的重要条件，需要有相应的构造措施来保证，计算简图的误差要在设计的规定范围之间。如果是不当的计算简图则会导致结构安全方面的问题产生。所以工程前期设计的这一点要非常注意。
2、基础方案要合适：基础设计是综合分析的结果，要有工程地质环境的参考条件、待建建筑物结构类型、周边建筑物环境分析、载荷的分布状况、合理的经济效益等资料的分析。在详细的地质勘察资料的基础上，通过进行地基变形的验算，尽可能地利用好地基。
3、结构方案要合理：结构方案要有可实行的结构形式、结构体系及经济效益。在结构体系上，同种结构单元最好选择同种结构体系，其受力要明确，传力要简单。通过工程设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析，并与建筑、电、水、暖等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时应进行多方案比较，择优选用。
4、正确分析计算结果：在结构设计中普遍采用计算机技术，但是由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、条件等进行全面了解。
5、采取相应的构造措施：结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯”，注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固要求；考虑温度应力的影响力。
二、高层建筑结构设计特点
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，对某一定高度楼房来说，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、轴向变形不容忽视
高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。
3、侧移成为控制指标
与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
4、结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
三、建筑结构设计的要点分析
1、加强建筑物地基结构设计
为防止或减少由于地基沉降或不均匀沉降引起的构件开裂或破坏，可以从建筑措施、结构措施、地基和基础措施方面加以控制。地基的结构设计应分别就高层建筑与多层建筑考虑不同的设计。对高层建筑来说，由于需要一定的埋置深度，从经济的角度考虑，基础一般采用桩箱或桩筏结合的形式。此时应保证箱体的整体刚度；当土层有较大起伏时，应使用同一建筑结构下的桩端位于同一土层中并应考虑可能产生的液化影响。
2、防止由于地基沉降或不均匀沉降引起的构件开裂或破坏
预防或减少不均匀沉降的危害，可以从建筑措施、结构措施、地基和基础措施方面加以控制。应该引起重视的是：对高层建筑来说，由于需要一定的埋置深度，从经济的角度考虑，基础一般采用桩箱或桩筏结合的形式，此时应保证箱体的整体刚度，群桩布置的形心应与上部结构重心相吻合。常用的软土地基处理方式类型较多，但在选择地基处理方案前，必须认真研究上部结构和地基两方面的特点及环境情况，并根据工程设计要求，确定地基处理范围和处理后要求达到的技术指标，以及各种处理方面的适用性，同时综合考虑处理方案的成熟程度及施工单位的经验，进行多方案比较，最终选定安全实用、经济合理的处理方案。地基经处理后，还必须满足规范所规定的强度和变形要求。
3、关于高层建筑高宽比
《高层建筑混凝土结构技术规程》对高层建筑适用的最大高宽比有明确要求，但在计算高宽比时，对建筑宽度的取法却无明确规定，该条文明确指出“一般情况下，可按所考虑方向的最小宽度计算高宽比，对于不宜采用最小宽度计算高宽比的情况，应由设计人员根据实际情况确定合理的计算方法”，对设计人员来说，难以确定何为合理的计算方法，而且这是一个涉及建筑是否为超限高层建筑的敏感问题，应该有一个较为明确的取法，以便设计及审查人員掌握。
四、工程实例
1、工程概况
工程概况该项目位于某市某路段，主楼27层，高度99.8m；裙楼6层，两层地下室，负2层为机械停车库，局部为核六级人防，建筑宽50m，长100m，为钢筋混凝土框架核心筒结构。本工程位于8度抗震设防区，建筑物的抗震设防类别均属丙类，地震作用和抗震措施均按8度设防。
2、基础设计
2.1地基土构成及特性据勘察揭露，场地地貌单元属于黄土梁洼，拟建场地土层层位稳定，分布连续，地基均匀性较好，属于均匀地基，勘察结果显示勘察范围内地层共16层，其中地下一层黄土为自重湿陷性黄土，地基湿陷等级为Ⅱ类（中等湿陷性）。
2.2结构体系的确定
根据建筑功能的使用要求,本工程为高尚住宅区,底层架空为酒店式大堂,并引入室外景观造景,为此,建筑对底层柱及剪力墙的布置位置有严格的要求,上部住宅部分要求室内方正实用。为了满足上述的要求,本工程采用框支剪力墙结构,在二层楼面设置转换层。因上部墙体多数无法直接落地或落于框支梁上,因而采用了箱高为230cm的箱形转换结构。利用箱体增加转换层的整体刚度,同时箱体的上下层板又增加了框支梁的抗扭性能。配合建筑使用功能合理布置抗侧力构件,以合理控制结构的总体刚度,使之既满足抗震要求又满足抗风的要求。将核心筒剪力墙落地,在建筑物外围及局部突出部位设置70-90cm厚的L型剪力墙,避免出现独立框支角柱,同时将中部部分剪力墙落地,以保证落地剪力墙的数量,满足上下刚度比的要求。
3、主体结构
3.1抗震体系
该工程由塔楼和裙房组成，塔楼27层，层高3.25m，裙房6层，层高5m，塔楼为办公及酒店客房，由于建筑功能要求，走廊通道要求净高2.6m，考虑到设备管线主要集中在走廊布置，故结构采用无梁厚板的结构形式，这是外围框架部分和抗震核心筒的连接较弱，是塔楼整体刚度下降明显，侧移较大，在结构设计过程中，经与建筑、设备协调，本工程将两侧电梯及楼梯围合形成筒体，在一字型塔楼中形成左中右并排三个筒体作为主抗震构件，外围框架与筒体通过200厚板连接。
3.2剪力墙设计
该工程核心筒落地剪力墙厚40cm，除核心筒外,在建筑四角布置70～90cm厚的L型剪力墻。为了使混凝土的受压性能改善，增大延性，设计中控制墙肢的轴压比不大于0.5。墙体的水平和竖向分布筋除满足计算要求外，同时也满足0.3%的最小配筋率的限值。底部加强区的剪力墙中按规范要求设置约束边缘构件，约束边缘构件的纵筋配筋率控制≥1.2%，箍筋不＜Φ12@100，体积配箍率控制≥1.4%，同时，对长厚比＜5的短墙在计算中按柱输入计算进行比较，其结果显示，短墙按墙和按柱计算的结果大致一致。
3.3大跨度桁架
该工程裙房部分在宴会大厅上设置了游泳池，形成了25.5m跨度的大跨度结构，最初设计是采用单向预应力大梁，由于宴会厅抽柱后，使该部分抗侧移刚度减弱，单向预应力梁是裙房部分结构刚度分布更趋复杂，从而使得结构整体自振周期第一周期为扭转振型，而且与泳池相邻大量构架超限，经仔细分析后，采取两项措施优化该处结构体系。
首先在不影响建筑使用功能的情况下，在泳池以北两侧各设置一片抗震墙增加抗侧移刚度，调整整体结构的刚心偏移。
第二是根据建筑布局和使用功能，将单向预应力大梁改为主次梁结构形式，利用游泳池玻璃盖顶的支撑梁，将主梁设计成预应力桁架形式，桁架下弦为游泳池侧壁，上弦为玻璃光棚支撑梁，斜杆、腹杆藏于间隔墙中，利用斜杆、腹杆间隙做门洞、通道及铺设设备管线，该结构形式减轻了结构自重，桁架与周边梁柱连接处刚度变化亦比较平顺，使原计算超限的构件受力趋于合理。
3.4框支梁的设计
该工程框支梁抗震等级为一级。对于两端搁置于框支主梁上的框支次梁，其受力类似简支梁，跨中底筋较大，支座面筋基本按构造要求配置。本工程的框支主梁的梁高230cm（即箱体高度》于梁顶和梁底各设置一层20cm厚的箱板），梁截面尺寸按剪压比0.15控制。梁主筋配筋率除满足计算外，还不小于0.5%，上部主筋沿梁全长贯通，下部主筋全部直通到柱或墙内,沿梁腹部设置不小于Φ16@150的腰筋，于梁中部设置一排Φ20的抗裂纵筋，抗裂纵筋根数同箍筋肢数，梁箍筋全长加密。对其他框支梁，因其受力较大，在靠近柱支座处的应力集中尤为突出，部分梁的计算结果表明，梁端抗剪不足，经过核查该梁各截面剪力设计值，发现框支柱截面内有大部分剪力不足的截面，对此情况的梁截面尺寸不做调整，而对于确实抗剪不足的梁采用梁端水平加腋的方式解决该梁的抗剪能力不足的问题。
3.5局部转换
塔楼北侧外立面柱距4.25m，但6层以下由于建筑使用功能要求，抽掉两根中柱，在最初方案设计时，直接按8.5m柱距至塔楼顶部，因轴力过大，使客房部分柱截面尺寸无法实现建筑立面造型及室内使用功能要求，故施工图阶段改为4.25m柱距，两根中柱在裙房屋面处转换，经过计算比对，该处转换最终选用桁架式转换。如图：
3.6后浇带
该工程南北长度100m，建筑要求不设置变形缝，根据本工程特点，结构设置两条后浇带，一条位于塔楼与裙房交接部位的裙房一侧，该后浇带兼温度后浇带和沉降后浇带的作用，上下贯通，将塔楼和裙房完全分开，带主塔楼完工后浇筑，另一条设置与裙房中部，为温度后浇带。
五、结束语
随着高层建筑的进一步发展，满足高层建筑的形式、材料、力学分析模型也在日趋复杂多元化。为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模式将是土木工程师们的目标和方向。
参考文献
[1] 赵西安．高层建筑结构实用设计方法[M]．同济大学出版社，2001．
[2] 赵西安．现代高层建筑结构设计[M]．科学出版社，2004．
[3] 于险峰．高层建筑结构设计特点及其体系[J]．建筑技术，2009．