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摘要：目前城市高层建筑数量日益增加，建筑内部机构愈加复杂化，对工程结构设计也越来越高。本文结合工程实例，从建筑的结构体系、基础体系和预应力结构设计出发，阐述了高层建筑工程结构设计的主要特点，并提出一些设计方法，供类似工程研究参考。
关键词：高层建筑；结构体系；基础体系；设计方法
随着城市化进程的不断加快，高层建筑在城市建设当中所占的比例逐渐上升，建筑的内部结构设计方面的变化愈加明显，许多新兴的结构设计方案逐渐应用于城市高层建筑的建设当中。目前建筑的类型与使用功能越来越复杂，结构体系日趋多样化，对高层建筑的结构设计要求提出了更高的要求。然而，在实际的设计过程中，工程设计人员容易出现一些概念性的错误，影响到建筑工程的建设。因此，如何做好建筑结构设计工作成为了当前工程设计工作的难点和重点。本文通过探讨高层建筑工程结构设计方法，达到提高建筑结构设计的水平的目的，以期充分发挥出建筑的综合效益。
1 工程概况
某高层建筑，主楼为18层。东西裙楼各位4层，地下1层为，建筑高度71.22m，建筑面积40518m2。抗震设防烈度6度，设计使用年限为50年。
2 结构设计主要特点
2.1 主楼部分
2.1.1 结构体系
主樓采用框架-剪力墙结构，由于建筑平面的限制，剪力墙只能布置在北侧楼电梯间及周边，造成剪力墙分布不均匀对称，结构刚心严重偏置。设计中采取调整梁柱布置及其尺寸，增加X方向南侧刚度等手段调整偏心，通过反复计算，各项抗震指标均达到规范要求，其中周期比：T1/Tt=0.75；位移角：X方向：1/1697，Y方向：1/1335；位移比：X方向：1.25，Y方向：1.06。结构布置简洁，传力合理，框架柱及楼面梁位置巧妙地与室内家俱、办公室隔墙结合考虑，使室内空间的利用更为有效。
主楼18层为多功能厅，从功能，使用等多方面综合考虑，在多功能厅中间抽掉了2根框架柱，形成大空间结构，使得室内空间整体性更好，使用更为方便。
2.1.2 基础形式
主楼采用桩基—筏板基础，桩型为直径500mm的PHC预应力高强混凝土管桩，考虑桩土共同承担上部荷载，通过变刚度调平方法，在剪力墙核心筒等刚度、荷载较大部位加密桩，其余荷载较小部位加大桩间距等措施达到均匀桩反力、控制沉降量及沉降差异的目的，基桩数量及筏板厚度得以减少，实现了较好的经济效益，也为顺利沉桩创造了有利条件。设计中要求筏板基底持力层承载力特征值≥150kPa，筏板厚度取1500mm，桩的等效距径比Sa/d=5.46。
近年来，随着计算软件的进步，上部结构、基础和地基共同作用分析法在筏板基础内力计算中也得到了运用。我们根据《建筑地基基础设计规范》第8.5.14条规定，在进行桩基设计时，结合本地区经验考虑桩、土、筏板的共同工作，即在保证基础总安全度不降低的情况下，按照桩、土和筏板共同作用的实际状态来验算。为保证桩、土、和筏板共同工作，设计采用了摩擦端承桩，使桩基产生可以容许的沉降，筏板不致脱空，在桩基沉降过程中充分发挥桩端持力层的承载能力。
2.2 裙楼部分
2.2.1 结构体系
东西裙楼采用框架结构。楼层面积较大，功能较为复杂（接警大厅、指挥中心、屋顶花园、档案馆、餐厅、会议中心等），为综合性办公用房。
2.2.2 大跨度结构
东西裙楼的公共大厅，档案室、餐厅等上空，局部梁跨度为25m左右，为满足建筑净高及舒适性的要求，对楼面主梁采用有粘结预应力体系，梁内设置预应力钢筋束，当混凝土强度达到设计要求后对预应力钢筋实施张拉，从而有效地控制了构件截面高度及变形，同时采用添加混凝土外加剂，加强施工阶段的养护来控制裂缝的产生，很好地满足了建筑的使用功能，是本工程结构设计的一大亮点。
设计中采用有限单元法对结构方案进行了计算、分析，给出了各工况下应力和位移分布规律，分析结果表明，采用大跨度预应力梁板结构是经济、合理的，能够满足工程要求。
2.2.3 基础形式
2.3 地下室部分
地下室为6级人员掩蔽部及射击训练场，长度约150m，为超长结构。
混凝土结构按照规范要求一般长度超过45m～55m即需设伸缩缝，地下室结构更是30m即要求设伸缩缝。但是，这些变形缝的设置，一方面对于防空地下室来说，很难满足现行《人民防空地下室设计规范》（GB50038—2005）第4.11.4条关于“在防护单元内不宜设置沉降缝、伸缩缝”的要求；另一方面，伴随着变形缝的出现往往要设置双梁、双柱、双墙，使得结构变得复杂，工程造价增大，甚至增加了建筑布局和使用上的困难，而且变形缝防水处理较为复杂，易产生渗漏水的现象。因此，我们对该项目超长地下室混凝土结构采用了无缝设计。
2.3.1 不均匀沉降的控制
在不设置永久沉降缝的情况下，不均匀沉降的控制是工程设计关键技术，为了有效控制差异沉降，并达到安全、经济的目标，采取了以下措施：
（1）控制绝对沉降量
主楼部分荷载大，裙房部分荷载小，两区域荷载差异极大，对不均匀沉降十分敏感。为避免主裙楼产生差异沉降，在设计时采用变刚度调平理念，用不同的桩长和桩间距来强化主楼基础，弱化裙房和纯地下室基础，达到减小主楼、裙房和纯地下室的差异沉降。
（2）设置沉降后浇带
为避免主裙楼产生差异沉降，在主楼与裙房之间或主楼与纯地下室间的地下室底、顶板及侧墙的相应部位设置沉降后浇带把高低两部分暂时分开，待主楼结构施工完毕；或沉降速率稳定后，再用高一级微膨胀混凝土浇筑沉降后浇带，将主裙楼连成一体。沉降后浇带的设置旨在通过沉降后浇带封闭前，主楼沉降可以大部分独立完成，以降低主裙楼之间的沉降差，使主裙楼之间的差异沉降控制在规范要求的范围内。
2.3.2 混凝土收缩应力和温度应力的控制
新浇混凝土在硬结过程中会收缩，已建成的结构温度变化时会热胀冷缩，当这两种应力分别超过混凝土抗拉强度时就会导致混凝土开裂而形成收缩裂缝或温度裂缝，引起渗漏。在不设置永久沉降缝的情况下，有效控制混凝土收缩应力和温度应力影响是工程设计重点，为了确保地下室结构安全、正常使用，采取了以下措施：
（1）设置纵横向温度后浇带
设置温度后浇带是传统的做法，大约隔30m～40m左右设置1道，以消化收缩变形，减少混凝土收缩产生的温度应力。温度后浇带在其两侧结构施工完成60d后，采用比后浇带两侧混凝土强度等级高一级的微膨胀混凝土进行浇筑。浇筑前应把后浇带内垃圾清理干净，混凝土浇筑过程中要避免新老混凝土结合不紧密，有效处理好后浇带处渗漏现象。
混凝土原材料采用低收缩、低水化热水泥，控制水泥用量，掺入适当的粉煤灰和外加剂，控制水灰比，控制砂石骨料含泥量和级配，合理选择混凝土配合比。施工应注意控制混凝土外加剂的品种、质量和剂量。
控制混凝土的浇筑时间和浇筑温度，采取措施减少水化热对混凝土构件的影响，确保混凝土振捣密实并加强养护，以减少混凝土收缩和温度应力对结构带来的不利影响。
3 结语
高层建筑结构设计是一项系统性的工作，涉及内容繁多且复杂。因此，工程设计人员要进一步深入研究建筑结构设计的技术问题，选择合理的结构方案，同时提高结构设计水平，以完善建筑的各项功能。本工程交付使用后未出现任何问题，结构设计与建筑功能符合性良好，取得了较好的经济效益。
参考文献：
[1] 赵东晓.高层建筑结构设计的问题与对策研究[J].商品混凝土.2012年第09期
[2] 刘伟琼.关于高层建筑结构设计探析[J].中国新技术新产品.2011年第03期
关键词：高层建筑；结构体系；基础体系；设计方法
随着城市化进程的不断加快，高层建筑在城市建设当中所占的比例逐渐上升，建筑的内部结构设计方面的变化愈加明显，许多新兴的结构设计方案逐渐应用于城市高层建筑的建设当中。目前建筑的类型与使用功能越来越复杂，结构体系日趋多样化，对高层建筑的结构设计要求提出了更高的要求。然而，在实际的设计过程中，工程设计人员容易出现一些概念性的错误，影响到建筑工程的建设。因此，如何做好建筑结构设计工作成为了当前工程设计工作的难点和重点。本文通过探讨高层建筑工程结构设计方法，达到提高建筑结构设计的水平的目的，以期充分发挥出建筑的综合效益。
1 工程概况
某高层建筑，主楼为18层。东西裙楼各位4层，地下1层为，建筑高度71.22m，建筑面积40518m2。抗震设防烈度6度，设计使用年限为50年。
2 结构设计主要特点
2.1 主楼部分
2.1.1 结构体系
主樓采用框架-剪力墙结构，由于建筑平面的限制，剪力墙只能布置在北侧楼电梯间及周边，造成剪力墙分布不均匀对称，结构刚心严重偏置。设计中采取调整梁柱布置及其尺寸，增加X方向南侧刚度等手段调整偏心，通过反复计算，各项抗震指标均达到规范要求，其中周期比：T1/Tt=0.75；位移角：X方向：1/1697，Y方向：1/1335；位移比：X方向：1.25，Y方向：1.06。结构布置简洁，传力合理，框架柱及楼面梁位置巧妙地与室内家俱、办公室隔墙结合考虑，使室内空间的利用更为有效。
主楼18层为多功能厅，从功能，使用等多方面综合考虑，在多功能厅中间抽掉了2根框架柱，形成大空间结构，使得室内空间整体性更好，使用更为方便。
2.1.2 基础形式
主楼采用桩基—筏板基础，桩型为直径500mm的PHC预应力高强混凝土管桩，考虑桩土共同承担上部荷载，通过变刚度调平方法，在剪力墙核心筒等刚度、荷载较大部位加密桩，其余荷载较小部位加大桩间距等措施达到均匀桩反力、控制沉降量及沉降差异的目的，基桩数量及筏板厚度得以减少，实现了较好的经济效益，也为顺利沉桩创造了有利条件。设计中要求筏板基底持力层承载力特征值≥150kPa，筏板厚度取1500mm，桩的等效距径比Sa/d=5.46。
近年来，随着计算软件的进步，上部结构、基础和地基共同作用分析法在筏板基础内力计算中也得到了运用。我们根据《建筑地基基础设计规范》第8.5.14条规定，在进行桩基设计时，结合本地区经验考虑桩、土、筏板的共同工作，即在保证基础总安全度不降低的情况下，按照桩、土和筏板共同作用的实际状态来验算。为保证桩、土、和筏板共同工作，设计采用了摩擦端承桩，使桩基产生可以容许的沉降，筏板不致脱空，在桩基沉降过程中充分发挥桩端持力层的承载能力。
2.2 裙楼部分
2.2.1 结构体系
东西裙楼采用框架结构。楼层面积较大，功能较为复杂（接警大厅、指挥中心、屋顶花园、档案馆、餐厅、会议中心等），为综合性办公用房。
2.2.2 大跨度结构
东西裙楼的公共大厅，档案室、餐厅等上空，局部梁跨度为25m左右，为满足建筑净高及舒适性的要求，对楼面主梁采用有粘结预应力体系，梁内设置预应力钢筋束，当混凝土强度达到设计要求后对预应力钢筋实施张拉，从而有效地控制了构件截面高度及变形，同时采用添加混凝土外加剂，加强施工阶段的养护来控制裂缝的产生，很好地满足了建筑的使用功能，是本工程结构设计的一大亮点。
设计中采用有限单元法对结构方案进行了计算、分析，给出了各工况下应力和位移分布规律，分析结果表明，采用大跨度预应力梁板结构是经济、合理的，能够满足工程要求。
2.2.3 基础形式
2.3 地下室部分
地下室为6级人员掩蔽部及射击训练场，长度约150m，为超长结构。
混凝土结构按照规范要求一般长度超过45m～55m即需设伸缩缝，地下室结构更是30m即要求设伸缩缝。但是，这些变形缝的设置，一方面对于防空地下室来说，很难满足现行《人民防空地下室设计规范》（GB50038—2005）第4.11.4条关于“在防护单元内不宜设置沉降缝、伸缩缝”的要求；另一方面，伴随着变形缝的出现往往要设置双梁、双柱、双墙，使得结构变得复杂，工程造价增大，甚至增加了建筑布局和使用上的困难，而且变形缝防水处理较为复杂，易产生渗漏水的现象。因此，我们对该项目超长地下室混凝土结构采用了无缝设计。
2.3.1 不均匀沉降的控制
在不设置永久沉降缝的情况下，不均匀沉降的控制是工程设计关键技术，为了有效控制差异沉降，并达到安全、经济的目标，采取了以下措施：
（1）控制绝对沉降量
主楼部分荷载大，裙房部分荷载小，两区域荷载差异极大，对不均匀沉降十分敏感。为避免主裙楼产生差异沉降，在设计时采用变刚度调平理念，用不同的桩长和桩间距来强化主楼基础，弱化裙房和纯地下室基础，达到减小主楼、裙房和纯地下室的差异沉降。
（2）设置沉降后浇带
为避免主裙楼产生差异沉降，在主楼与裙房之间或主楼与纯地下室间的地下室底、顶板及侧墙的相应部位设置沉降后浇带把高低两部分暂时分开，待主楼结构施工完毕；或沉降速率稳定后，再用高一级微膨胀混凝土浇筑沉降后浇带，将主裙楼连成一体。沉降后浇带的设置旨在通过沉降后浇带封闭前，主楼沉降可以大部分独立完成，以降低主裙楼之间的沉降差，使主裙楼之间的差异沉降控制在规范要求的范围内。
2.3.2 混凝土收缩应力和温度应力的控制
新浇混凝土在硬结过程中会收缩，已建成的结构温度变化时会热胀冷缩，当这两种应力分别超过混凝土抗拉强度时就会导致混凝土开裂而形成收缩裂缝或温度裂缝，引起渗漏。在不设置永久沉降缝的情况下，有效控制混凝土收缩应力和温度应力影响是工程设计重点，为了确保地下室结构安全、正常使用，采取了以下措施：
（1）设置纵横向温度后浇带
设置温度后浇带是传统的做法，大约隔30m～40m左右设置1道，以消化收缩变形，减少混凝土收缩产生的温度应力。温度后浇带在其两侧结构施工完成60d后，采用比后浇带两侧混凝土强度等级高一级的微膨胀混凝土进行浇筑。浇筑前应把后浇带内垃圾清理干净，混凝土浇筑过程中要避免新老混凝土结合不紧密，有效处理好后浇带处渗漏现象。
混凝土原材料采用低收缩、低水化热水泥，控制水泥用量，掺入适当的粉煤灰和外加剂，控制水灰比，控制砂石骨料含泥量和级配，合理选择混凝土配合比。施工应注意控制混凝土外加剂的品种、质量和剂量。
控制混凝土的浇筑时间和浇筑温度，采取措施减少水化热对混凝土构件的影响，确保混凝土振捣密实并加强养护，以减少混凝土收缩和温度应力对结构带来的不利影响。
3 结语
高层建筑结构设计是一项系统性的工作，涉及内容繁多且复杂。因此，工程设计人员要进一步深入研究建筑结构设计的技术问题，选择合理的结构方案，同时提高结构设计水平，以完善建筑的各项功能。本工程交付使用后未出现任何问题，结构设计与建筑功能符合性良好，取得了较好的经济效益。
参考文献：
[1] 赵东晓.高层建筑结构设计的问题与对策研究[J].商品混凝土.2012年第09期
[2] 刘伟琼.关于高层建筑结构设计探析[J].中国新技术新产品.2011年第03期