高层建筑结构分析探讨

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摘要：高层建筑结构随着时代的发展，规模和投资力度都大大增加，高层建筑的设计也变得越来越重要，高层建筑的结构设计也成为结构工程设计师设计工作的主要重点和难点。本文就高层建筑的发展，介绍了概念设计的一些知识，并通过对高层建筑受力特点的分析，探讨了高层建筑结构中概念设计的有关问题。 

关键词：建筑结构、概念设计、设计特点  一、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。  二、概念设计  1.概念设计的含义及其重要性  概念设计是对结构设计工程师和建筑师的一种能力的印证，它需要结构设计工程师和建筑师们在进行建筑设计时，有效的把握建筑的结构体系，不经过计算，就能从整体的角度对建筑结构的总体布置和抗震措施进行指导，仅从平面和立面的形式就可以对设计空间综合的进行协调，从而使最后的空间定形，无论是在功能要求，还是形式的需要方面都能与所设计的平、立面形式相吻合。当然，如果建筑师或者结构工程师想要进行结构的概念设计，他们首先就需要深刻的理解高层建筑结构的风作用、地震作用、场地土特征、结构的真实效应还有地震作用等以及其他的一些相关的基本概念。  计算机结构体系设计一体化在现代社会基本上已经进入了全面应用的阶段，但是大部分工程设计师却没及时发现计算机结果明显不合理甚至还会存在很多的错误，尤其是现在大部分的工程师都是上世纪成就的人才，他们的年龄与大学中学到的那些孤立的概念已经与现代社会脱轨了，如果继续一味的根据自己曾经的知识来判断现代的建筑结构，根本不会有什么创新的结果。概念设计就是展示先进思想的关键，工程师可以根据自己对建筑结构的把握，有意识的处理好结构与结构，还有结构与构件之间的关系，在特定的空间中，用整体的设计概念来完成结构的总体方案。概念设计可以弥补结构设计理论与计算理论中存在的许多缺陷，还能实现现实存在的许多无法计算的结构构件的设计。  2.结构概念设计的原则  在进行结构概念设计时，应该遵循的第一个原则就是全面考虑的原则，要巨无细遗的考虑到建筑设计中的方方面面，包括建筑结构和施工方面的考虑，从整体到局部都要进行很好的把握，更不能忽视他们之间的关系，还有建筑完成后带给使用者在视觉感受、功能使用方面、成本预算方面等的考虑。  从实际出发，结合当地的地域性特点，根据建筑即将坐落地区的自然条件、人文条件、历史文化、资源和材料限制等方面从现实的角度考虑建筑的结构概念。  高层建筑拥有自己的自重特点，要从减轻自重的原则出发，建筑结构所承受的荷载大部分都是来自建筑物本身的自重，减轻自重也就减轻了结构的负荷。要让建筑结构合理受力，荷载均匀分布，多跨连续、空间作用、刚性连接、超静定的受理系统都可以使结构的受力状况均匀分布，分析结构的受力状况时，还要从各部分结构构件的直接受力状况和整体结构的宏观受力状况分析。材料尽可能的选用以轴向应力为主的受力状态，合理的组织构件的截面。  优先选型，就是要优化结构体系，根据实际条件优化选择合适的基本构件，并确定他们的联系，确定构件的基本支撑做法。  3.高层建筑结构的抗震设计  所谓的高层建筑，我们完全看以把它想成是一个从地面抛向空中的悬臂挂件，它的高度就决定了这种建筑承受的水平的和竖向的荷载都要强于一般建筑物，对他的抗弯矩和抗剪力的能力在概念设计阶段就要考虑细致，高层建筑特殊的受力特点不同于低层建筑，高度越高，水平荷载越强，例如地震和风力产生的作用就会越强，因此在地震强区若想建造高层建筑，就必须要保证所有的结构，包括结构细部都具有足够的刚度和强度，还必须具有很强的抗震能力。  在框架结构体系中，梁柱的节点是这种结构体系的组合点，因此在增强抗震能力的环节中，节点也就成了关键部件，如果梁柱节点遭到破坏，那么框架结构的剪切脆性就会破坏，在节点处相交的梁和柱就会失效，“强柱弱梁”、“强节点弱构件”、“强剪弱弯”的设计原则，可以保证框架结构体系在地震的压力下还能保证足够强的延性和承载力，构造配筋、柱的轴压比，还有截面尺寸的选择，都可以影响到框架结构的抗震能力，尤其是对于节点的构造措施。  建筑的平面形状也在很大程度上影响着建筑结构的抗震能力，平面形状越规正，抗震能力就会越强，所以在进行高层建筑时，尽可能的避免过大的外延或者是内收。剪重比是为了考虑结构的抗震分析中高阶振形对结构的影响，《建筑抗震技术规范》以强制性的条文对结构各楼层水平地震作用下的最小剪力提出了要求。  三、高层建筑的设计特点  由于高层建筑物建造过程及使用过程中受到的影响因素，与其它普通建筑物或者低层建筑物受到的影响程度和影响因素不同，所以，对于高层建筑的设计必须掌握高层建筑物的设计特点，有针对性的，科学的制定建筑设计方案。  一方面，对具有一定的高度的建筑物来说，竖向荷载基本上是一个定值。然而地震和风荷载的作用数值是随着结构自身的动力特性的不同产生不同幅度的变化。其次，纵向的变形是不能忽视的，必须得到重视。因为在高层建筑物当中，建筑物的竖向荷载的数值非常大。较大的竖向荷载数值会在柱中引起较大的轴向变形。也就会间接造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小。再次，高楼的结构更柔和会让高楼结构在地震的作用下发生更大的变形。为了让建筑物可以具有较强的变形能力，避免建筑物发生倒塌，就需要在结构上采取恰当的方式，来确保建筑结构可以具有足够的变形能力。  结语  由此可以看出，我们必须依照高层建筑物自身的特点有针对性的进行建筑设计。只有这样才可以确保工程可以在正确的指引下逐渐完成，并且可以从最基本的方面提高建筑质量。  人们从开始建筑设计开始，就不断的在进行实践活动，虽然会遇到各种各样的问题，但也正是在解决这些问题的过程中，人类才会不断进步，关于高层建筑结构，无论是在设计，还是在计算方面都是一项复杂的工作，这就要求设计师既要有扎实的理论功底，还要有具体的实践基础，再加上一定的概念设计，只有这样才可以设计出美观、使用、高效，又具有创造性的高层建筑。