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摘要:在对高层建筑进行结构设计时，必须以高层建筑结构设计理论为基础，对影响高层建筑结构的主要因素进行深入的分析研究，做到精心设计，确保质量、安全。文章就高层建筑结构设计过程中常见的几个问题进行阐述。
关键词:高层建筑；结构设计；高度问题；选材
近年来，随着现代社会的发展以及城市建设用地的日趋紧张，为了尽可能地利用空间，房屋建筑逐渐由单层、多层向高层发展，房屋结构形式也由简单的砖混结构变得日趋复杂，设计手段也在不断更新。
在高层建筑结构的设计中，通常采用钢和钢筋混凝土两种材料。钢筋混凝土结构造价低，材料来源丰富，能浇注成各种复杂断面形状，可组成多种结构体系，并可节省钢材，耐久性、耐火性好，承载能力也不低，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。它的主要缺点是构件断面大，自重大，费模费工。而钢材强度高，韧性大，易于加工。高层钢结构具有结构断面小，自重轻，抗震性能好的优点。钢结构构件可在工厂加工，能缩短现场施工工期，施工方便。但是高层钢结构用钢量大，造价很高，而且耐火性能不好，需要用大量防火涂料，增加了工期和造价。
一、高度问题
目前，我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）规定，给出了各种常见结构体系的最大适用高度，这些高度在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下，较为稳妥的，也是与目前整个土木工程规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。
二、建筑结构的扭转
建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心，在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点，即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏，应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做到三心合一。
在水平荷载作用下，高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀，减轻结构的扭转振动，应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下，由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不可能全部采用简单平面形式，当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内，同时，在结构平面布置时，应尽可能使结构处于对称状态。
三、材料的选用和结构体系问题
在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题。我国150m以上的建筑，采用了三种主要结构体系：框一筒、筒中筒和框架一支撑。这些也是其他国家高层建筑经常采用的主要结构体系。但国外在地震区，多是以钢结构为主，而在我国，钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，在国内外都还没有经受较大地震作用的考验。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，且加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量降低其本身刚度，以减少不利影响。
在高层建筑中，根据现在我国建筑钢材的类型、品种和钢结构的加工制造能力，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土（柱）结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，为减小风振，钢骨（钢管）混凝土通常作为首选。采用格构式的型钢时，震害严重，采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的，则震害要减少许多。
四、轴压比与短柱问题
轴压比是指结构柱的组合轴力设计值与柱的横截面积和混凝土抗压强度设计值乘积的比值。试验和震害表明:钢筋混凝土柱的轴压比过大，柱的延性将显著减小，很容易发生脆性破坏，所以轴压比的控制对保证其延性非常重要。当轴压比不满足规范要求时可以采用下列措施来降低轴压比:（1）提高混凝土的强度等级;（2）采用合理的箍筋形式和适当增大配箍率;（3）在柱截面中部附加芯柱。
许多高层建筑底部几层柱的长细比虽然小于4，但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比小于2的柱才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值，柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高層建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。
五、在某些烈度区采用较低的抗震措施与构造措施
现在许多专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度己不能适应国情的需要，认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外，对于“小震不坏，中震可修，大震不倒”这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准比较低，当取50年为分析年限时，小震烈度对应的被超越概率为63.2%，重现期为50年，中震烈度对应的被超越的概率为10%，重现期为475年，大震对应的被超越的概率为2%左右，重现期为2000年左右，同时规定抗震设防烈度与设计基本地震加速度的对应关系。
设防标准低的根本原因在于国家财力物力有限。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外；在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上，与外国相比，也有异同，其中的8度区，我国就明显不如外国严格。随着社会财富的增长，结构失效带来的损失愈来愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，因而结构在设防烈度下应该采用弹性设计，特别是高烈度区要有严格的抗震措施与抗震构造措施来保证结构的安全。
六、结语
在高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅重视结构计算的准确性而忽视结构方案的合理选择，现在设计界很提倡概念设计，而且实际工程千差万别，这就需要设计人员根据具体情况进行具体分析，运用掌握的知识处理实际遇到的各种问题。
参考文献
[1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）[S]．北京:中国建筑工业出版社,2002.
[2]混凝土结构设计规范（GB50010-2002）[S]．北京:中国建筑工业出版社,2002.
[3]方鄂华. 高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M]．北京：机械工业出版社,2004.
[4]吕西林. 高层建筑结构[J]．武汉:武汉工业大学出版社,2001,8.
关键词:高层建筑；结构设计；高度问题；选材
近年来，随着现代社会的发展以及城市建设用地的日趋紧张，为了尽可能地利用空间，房屋建筑逐渐由单层、多层向高层发展，房屋结构形式也由简单的砖混结构变得日趋复杂，设计手段也在不断更新。
在高层建筑结构的设计中，通常采用钢和钢筋混凝土两种材料。钢筋混凝土结构造价低，材料来源丰富，能浇注成各种复杂断面形状，可组成多种结构体系，并可节省钢材，耐久性、耐火性好，承载能力也不低，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。它的主要缺点是构件断面大，自重大，费模费工。而钢材强度高，韧性大，易于加工。高层钢结构具有结构断面小，自重轻，抗震性能好的优点。钢结构构件可在工厂加工，能缩短现场施工工期，施工方便。但是高层钢结构用钢量大，造价很高，而且耐火性能不好，需要用大量防火涂料，增加了工期和造价。
一、高度问题
目前，我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）规定，给出了各种常见结构体系的最大适用高度，这些高度在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下，较为稳妥的，也是与目前整个土木工程规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。
二、建筑结构的扭转
建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心，在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点，即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏，应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做到三心合一。
在水平荷载作用下，高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀，减轻结构的扭转振动，应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下，由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不可能全部采用简单平面形式，当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内，同时，在结构平面布置时，应尽可能使结构处于对称状态。
三、材料的选用和结构体系问题
在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题。我国150m以上的建筑，采用了三种主要结构体系：框一筒、筒中筒和框架一支撑。这些也是其他国家高层建筑经常采用的主要结构体系。但国外在地震区，多是以钢结构为主，而在我国，钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，在国内外都还没有经受较大地震作用的考验。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，且加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量降低其本身刚度，以减少不利影响。
在高层建筑中，根据现在我国建筑钢材的类型、品种和钢结构的加工制造能力，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土（柱）结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，为减小风振，钢骨（钢管）混凝土通常作为首选。采用格构式的型钢时，震害严重，采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的，则震害要减少许多。
四、轴压比与短柱问题
轴压比是指结构柱的组合轴力设计值与柱的横截面积和混凝土抗压强度设计值乘积的比值。试验和震害表明:钢筋混凝土柱的轴压比过大，柱的延性将显著减小，很容易发生脆性破坏，所以轴压比的控制对保证其延性非常重要。当轴压比不满足规范要求时可以采用下列措施来降低轴压比:（1）提高混凝土的强度等级;（2）采用合理的箍筋形式和适当增大配箍率;（3）在柱截面中部附加芯柱。
许多高层建筑底部几层柱的长细比虽然小于4，但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比小于2的柱才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值，柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高層建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。
五、在某些烈度区采用较低的抗震措施与构造措施
现在许多专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度己不能适应国情的需要，认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外，对于“小震不坏，中震可修，大震不倒”这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准比较低，当取50年为分析年限时，小震烈度对应的被超越概率为63.2%，重现期为50年，中震烈度对应的被超越的概率为10%，重现期为475年，大震对应的被超越的概率为2%左右，重现期为2000年左右，同时规定抗震设防烈度与设计基本地震加速度的对应关系。
设防标准低的根本原因在于国家财力物力有限。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外；在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上，与外国相比，也有异同，其中的8度区，我国就明显不如外国严格。随着社会财富的增长，结构失效带来的损失愈来愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，因而结构在设防烈度下应该采用弹性设计，特别是高烈度区要有严格的抗震措施与抗震构造措施来保证结构的安全。
六、结语
在高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅重视结构计算的准确性而忽视结构方案的合理选择，现在设计界很提倡概念设计，而且实际工程千差万别，这就需要设计人员根据具体情况进行具体分析，运用掌握的知识处理实际遇到的各种问题。
参考文献
[1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）[S]．北京:中国建筑工业出版社,2002.
[2]混凝土结构设计规范（GB50010-2002）[S]．北京:中国建筑工业出版社,2002.
[3]方鄂华. 高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M]．北京：机械工业出版社,2004.
[4]吕西林. 高层建筑结构[J]．武汉:武汉工业大学出版社,2001,8.