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建筑结构设计

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浅析高层建筑结构设计

        当前，随着我国经济稳步前进，各地的高层建筑拔地而起，而且结构类型和功能也更加趋向于复杂化和多样化，很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中。为此，对建筑结构设计也就提出了更高的要求。
   
        结构设计是个系统全面的工作，在此过程中出现任何问题或者失误，都极有可能导致整个设计变得更为复杂，甚至结构的不安全。建筑设计人员需要扎实的理论知识功底，深刻理解规范和规程的含义，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度，发展先进计算理论，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠和经济。
        一、高层建筑设计的理论分析    

1、高层建筑结构受力性能
        建筑物底面对建筑物空间形式的水平和竖直方向的稳定都有着非常大的影响，意义重大，一个具体的建筑物是由大且重的构件所构成的，结构上设计要能将其本身的重量传递并竖直作用于地面。不过，高度大是高层的一个最直观的建筑特点，高度愈来愈高，其竖向结构体系就愈来愈重要，在高层建筑中，抗剪不问题的全部，比其更为重要的是整体抗弯曲和抗形变，这点上高层建筑的结构受力性能与低层建筑存在的差异是极大的。    

2、高层建筑结构设计中的扭转问题
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（即建筑结构的几何形心、刚度中心和结构重心没有能够交汇于一点），为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏，在结构设计的时候，应该合理地选择结构形式和平面布局，促使建筑物尽量保持三心合一。    

3、高层建筑结构设计中的振动周期和侧移
从物理学的角度，当驱动力的周期于建筑结构的振动周期趋近度越高，受迫振动的振幅就越大，当两者相等时振幅最大，引起共振。设计中关于建筑结构的振动周期问题处理大多从以下两方面入手：a合理地控制结构的自振周期；b控制结构的自振周期确保其与场地的特征周期有明显的差值。此外，位移限值、剪重比及单位面积重度等等也是在高层建筑设计过程中要细致分析的几个问题。
        二、高层建筑结构设计的方法    

1、合理的基础设计方案。一般来说，高层建筑的基础设计中，应当依据工程地质条件、上部的结构类型、荷载的分布、相邻各建筑物的影响与施工条件等综合因素开展分析，挑选出符合经济合理原则的基础性方案。在基础设计阶段，就要形成完整的地质勘察材料，对于部分缺乏地质报告的建筑物，也要实施现场查看，并参考附近建筑物的相关资料。    

2、最合适的结构方案。成功的建筑物设计一定要选择相对而言最为经济合理的结构方案，也就是说要选择切实可行的结构形式与结构体系。因此，一定要对工程设计要求、材料供应及施工情况做出综合分析，和水、暖、电等一起开展协商，并以此为基础开展结构选型，并确定合理的结构方案。    

3、合适的计算简图。结构计算主要是在计算简图基础之上开展的，由于计算简图选用不合理而造成结构不够安全的事件常常发生，所以，挑选合理的计算简图是确保结构安全的一个重要因素。计算简图应当有一定的构造来进行保证。因为实际结构之节点不会是单纯的刚结，但是，计算简图误差要控制在允许的范围内。    

4、分析计算的结果。在高层建筑结构设计当中广泛采用了计算机技术，但是如今软件的种类极多，而不同软件常常会出现不一样的计算结果。都会造成错误的计算结果，所以需要工程师在得到计算之后进行认真分析与校核，并做出最为合理的判断。    

5、合理的构造方法。要注重构件的延性，强化其中的薄弱位置。要注重钢筋锚固之长度，并考虑到温度应力之影响。此外，还要注重根据均匀、对称与规范之考虑，对平面与立面进行布置，并尽力避免出现薄弱部分，而要利用极限状态进行验算等，均需依靠设计作为指导。
        三、高层建筑结构的选型设计
在高层建筑的结构设计中，结构选型阶段要注意以下三点:    

1、重结构的规则性。由于新、旧规范在这一方面出现了比较大的变化，新规范在此增加了比较多的限制因素。比如平面规则性方面的信息、嵌固端上、下层之间刚度比方面的信息等。与此同时，新规范采取了强制性规定，要求建筑物不能采用严重不规则之设计方案。所以，工程技术人员在明确新规范的限制条件中一定要加以注意，从而避免出现后期施工图设计阶段之被动。    

2、重结构的超高性。新规范在应对超高问题上，除了把原先的限制高度设置为a级高度之外，同时还应增加b级高度之建筑。在具体的工程设计之中，出现过因为结构类型之变更而忽略这一问题的情况，从而造成施工图在审查时未能通过，一定要重新做出设计，这对于工程的工期与造价等总体规划存在着相当大的影响。    

3、重嵌固端设置。因为高层建筑普遍带有二层或者二层以上的地下室与人防工程，嵌固端极有可能被设置于地下室的顶板上，同时也有可能被设置于人防顶板等处。假如忽视了其中的任何一方面，均有可能对后期设计工作造成大量安全隐患。
        四、 高层建筑结构的相关问题分析
1、结构的超高问题：在抗震规范和高规范中，对结构的总高度有着严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度以为，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。
2、短肢剪力墙的设置问题：在新规范中，对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
3、嵌固端的设置问题：由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
4、结构的规则性问题：新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
        建筑的结构设计问题是一个长期而复杂的过程，也是建筑师开展设计工作的重点与难点。打破建筑结构设计中的墨守成规，我们在设计过程中要充分发挥自身的创新能力，才能设计出具有过硬质量的品质工程。