摘要：当前，随着我国经济快速发展，各地的高层建筑拔地而起，结构类型和功能也更加趋向于复杂化和多样化，为此，对建筑结构设计也就提出了更高的要求。城市的高层建筑能代表一个城市的发展水平和综合实力。因此，高层建筑在设计中必须考虑城市地标的责任感和使命感。本文通过分析高层建筑的现状，总结了高层建筑结构的设计特点，从而进一步完善高层建筑结构设计，促进高层建筑的发展。
关键词：高层建筑；结构设计；特点分析
引言：对于一个城市而言，高层建筑往往具有一定的代表性和象征性，可以反映一个城市经济水平和发展程度，越来越多的具有特色的高层建筑成为了一个城市的坐标。随着高层建筑技术的发展，高层建筑造型和表现形式趋于多样化，但随之所带来的弊端也越来越多的表现出来，高层建筑在成为城市风景的同时如何融入到整个城市建筑设计中成为高层建筑设计面临的一个重要任务。
1 高层建筑的现状分析
现代高层建筑起源于美国，已有100 多年的历史，美国的高层建筑在质量、层数及数量上一直居于世界领先地位，其中代表建筑是1931年建成的纽约帝国大厦（高381m，102 层）和1974 年建成的芝加哥西尔斯大厦（412 m，110 层）。近几年来，亚洲国家和地区的高层建筑发展非常迅速，而且广泛采用新的结构体系和建筑形式，逐步成为世界建造高层建筑的新重心。其中，日本、中东、马来西亚、新加坡、泰国是高层建筑发展迅速的国家。我国高层建筑起源于20 世纪初的上海，近年来国内的高层建筑以极为迅速的态势在各地铺开，高度及层数不断突破。据统计，我国高层建筑在数量上已超过万栋，高层建筑的类型涉及住宅、旅馆、办公、金融、商业综合楼等多种类型。到目前为止，层数达30 层-60 层，高度为120 m-200 m 的高层建筑已经耸立在全国各个大、中城市，我国最高的101 层492m 的上海环球金融中心已经建成。
2 高层建筑结构设计关键技术分析
2.1 结构轴向变形的影响显著
对于高层建筑结构，由于层数多、高度高，轴力很大，从而沿高度逐渐积累的轴向变形很显著高层建筑结构中，一般竖向荷载的数值较大，在柱中会引起较大范围的轴向压缩变形，对结构体系中的连续梁弯矩大小产生显著影响。高层建筑的轴向变形的差异会达到一个比较大的数值，从而引起跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大，连续梁中间支座处的负弯矩值减小。
2.2 水平荷载相对于竖向荷载显得更为重要
结构需同时承受竖向和水平荷载，低层结构以抵抗重力为代表的竖向荷载为主，而水平荷载所产生的内力、侧向位移很小。对高层结构来说，随着建筑高度的增加，水平荷载随建筑高度的增高迅速增大。如把建筑物视作一简单的竖向悬臂构件，构件中由竖向荷载产生的轴力与高度（H）成正比；水平作用产生的弯矩与高度（H）的平方成正比；水平作用产生的侧向位移则与高度（H）的四次方成正比。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对某一高度确定的建筑，结构竖向荷载的大小基本稳定，而水平方向上风载和地震作用的数值大小往往会随高层建筑结构的动力特性不同而存在较大幅度的变化。可见，水平荷载对高层建筑结构的影响大，侧向位移成为结构设计的主要控制目标之一。
2.3 建筑体型和结构总体布置的重要性
由于地震的不可预知性，在抗震设防的低烈度地区也会发生强震。因此，对于高层结构设计来说，必须要注重其抗震概念设计，确保“大震不倒”。而合理的建筑体型、结构总体布置是实现此目标的重要措施之一，现行规范就对结构的平面和竖向布置提出了多项控制目标。例如建筑平面狭长的高层，在水平偏心地震力作用下，建筑物长度方向的两边，容易出现过大受扭作用，导致竖向构件的大变形破坏；另外高层竖向构件侧向刚度的不连续，就像截面随高度不均匀变化的悬臂构件，易在刚度突变处出现应力集中，导致此处构件过早破坏，还有竖向构件布置的不连续，会使竖向构件的不连续处出现复杂受力和应力集中的问题，很难用现行设计软件进行合理分析。而上述列举的几种情况，《高规》都对其提出了严格限制。
3 高层建筑结构设计的主要特点
3.1 侧移成为控制指标
与低层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。
3.2 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。
3.3 水平载荷成为决定因素
任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。在较低楼房中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，水平荷载产生的内力和位移很小，对结构的影响也就较小；但在较高楼房中尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，水平荷载却起着决定性的作用。随着楼房层数的增多，水平荷载愈益成为结构设计中的控制因素。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所引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面对某一高度楼房来说，竖向荷载的风荷载和地震作用，其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。
3.4 轴向变形不容忽视
通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了。由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。对连续梁弯矩的影响：采用框架体系和框-墙体系的高楼中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩增大。对构件剪力和侧移的影响，与考虑竖向杆件轴向变形的剪力相比较，不考虑竖杆件轴向变形时，各构件水平剪力的平均误差达30%以上，结构顶点侧移减小一半以上。
4 高层建筑结构设计发展趋势
随着城市人口的不断增加建设可用地的减少,高层建筑继续向着更高发展,结构所需承担的荷载和倾覆力矩将越来越大。在确保高层建筑物具有足够可靠度的前提下,为了进一步节约材料和降低造价,高层建筑结构够构件正在不断更新,设计理念也在不断发展。高层建筑结构也正朝着结构立体化,布置周边化,体型多样化,结构支撑化,体型多样化,材料高强化,建筑轻量化,组合结构化,结构耗能减震化等方向发展。
5 结语
高层建筑的建设发展速度很快，如果设计时单一从质量上考虑分析，其结果是不完善、不理想的。因为在高层建筑的结构设计工作中，不能够仅仅单一的重视结构计算工作的准确性，忽略整个结构方案在实际施工中的应用情况也不行。应该设计出更加合理的结构方案，以便选择；应该根据工程的实际情况来进行具体的分析，并利用自身所掌握的知识和经验对实际建筑设计中遇到了各种问题进行适当的处理，以达到工程设计、施工的全面质量优化、结构设计合理，且安全可靠，造价经济。
参考文献：
[1]肖峻．高层建筑结构分析与设计[J]．中化建设，2008，（12）．
[2]李珂.高层建筑结构设计与分析[J].山西建筑，2009，11：70-71.
论文作者:刘开国
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/26
标签：荷载论文; 高层建筑论文; 结构论文; 弯矩论文; 结构设计论文; 构件论文; 水平论文; 《防护工程》2018年第33期论文;