浅谈高层结构的设计问题及设计方法

2021年2月21日结构工程59阅读模式

【摘要】主要围绕高层建筑钢结构设计中存在的问题及设计方法展开详细分析，并以某高层建筑为例，基于建筑形式的限制，开展多个结构方案比选，对其结构整体、地震作用下结构受力等方面进行分析。

【关键词】高层建筑；钢结构；高层结构设计

1、引言

近年来，钢结构在我国建筑领域中得到了广泛的应用，其具有抗震性能优越、节能性好、经济指标高、可持续发展、施工高效等诸多优点。高层建筑钢结构设计在工程中有着至关重要的作用，当前我国钢结构设计水平显著提高，但是也暴露出一些问题，因此，加强相关研究并解决、克服钢结构设计中存在的问题具有重要的现实意义。

2、当前高层建筑钢结构设计中存在的问题

1）设计市场存在一些混乱现象，钢结构设计质量不佳：根据我国近年来高层建筑钢结构设计情况来看，各大设计院往往承接了较多项目，且收费相对较高。但钢结构部分设计费工且收费低，部分设计单位不愿意承接此类任务，或是在此方面设计经验不足，将项目中钢结构部分分包给其他单位，甚至是出现层层转包的情况，部分设计单位并无资质，仅仅是用买来的图标搞设计，最终导致严重的质量、安全隐患。对此，必须要进一步规范设计市场，加强资质管理，通过严格的检查监督来保障设计质量[1]。

2）设计深度不够，钢结构设计任务转嫁给加工企业：目前不少设计单位钢结构设计水平低，多数是刚毕业的新人承担此类任务，普遍存在照搬规范、套程序的情况，设计成果质量不高，仅仅是给出“构件布置图”，对关键的“节点”设计不分具体情况，原本应由设计单位完成的“节点构造”“支座详图”“施工安装”等均交给加工企业，最终导致质量隐患严重。我国住建部明确规定，“施工图设计”由设计院完成，必须将此规定落实到位，防止出现互相扯皮的情况。

3）设计未充分考虑施工，使钢结构建筑施工受阻：部分设计人员存在理论丰富、实践不足的情况，不了解施工，不确定设计方案是否具有施工可行性，严重者甚至会导致施工事故的出现。目前，我国重大钢结构工程均采用全焊接结构，存在结构体系复杂、相交于节点的杆件太多的情况，大量的高空对接必然存在安装偏差，常采用强制构件就位措施，以致于杆件出现很大施工应力，设计人员必须考虑此类因素的影响，懂得焊接工艺，保证结构安全度。

4）设计过于保守或激进，使得钢结构建筑工程投资增大：目前，部分设计人员对复杂工程缺乏经验，或盲目追求高标准，设计保守；或降低设计安全等级，设计激进。上述等问题的存在，极易因为设计方案不合理而影响工程投资，然而，工程投资的增大反而会使设计费增加，设计单位并未因工程浪费承担任何责任，因此，必须要加强此方面的管理工作。

3、高层建筑钢结构设计方法分析

基于上述问题的存在，必须要规范设计市场，科学开展钢结构设计工作，具体可分为3个部分：方案设计（结构体系选型）寅结构分析与设计寅施工图绘制。

1）方案设计：此阶段主要是合理选择结构体系，其直接关系到整个结构受力性能，影响后续结构分析与设计合理性。

2）结构分析与设计：此阶段包括参数化设计、找形分析、静力分析、动力分析、稳定性分析、弹塑性极限承载力分析、抗连续倒塌分析、支座设计和焊缝形式设计，具体流程如下：开始寅确定结构方案寅静力分析寅动力分析寅弹塑性极限承载力分析寅抗连续倒塌分析寅节点细部设计寅结束。

3）施工图绘制：钢结构设计施工图绘制应由具备钢结构专项设计资质或甲级设计单位完成，并提供给钢结构施工详图单位进行深化设计。对此，钢结构设计施工图绘制必须要明确设计依据、荷载资料、建筑抗震设防类别和设防标准、结构布置、支撑设置、构件选型、构件截面以及结构主要节点构造和控制尺寸，确保钢结构施工详图设计人员能正确体会设计意图[2]。

4、实例探析高层建筑钢结构设计方案

4.1、工程概况。

以某高层建筑钢结构设计为例展开分析，此建筑位于市中心，占地面积3.6伊104m2，共计7座塔楼，A座为办公建筑，高度212m（最高）、建筑面积7.8伊104m2，地上45层、地下4层。建筑平面呈东西长（65.2m）、南北窄（底部23m），高宽比、平面长宽比分别为9.22和3，可利用核心筒宽度8.6m、高宽比24.7。

4.2、结构选型与比较。

本项目基于建筑形式的限制，结构短向抗侧刚度低，对此决定采用立体构件，抗侧力体系主要构件移至周边，将承重构件与抗侧力构件合为一体，以切实保证结构的安全度。在方案前提阶段，开展多个结构方案比选，具体如图1所示。经结构受力性能、建筑功能实现程度、结构经济性等多方面对比后，决定采用方案6：双向支撑框架钢结构体系，具体如图2所示。

4.3、结构分析。

本项目设计指标如下：抗震设防烈度7度，类别丙类；场地土类别为II类；设计地震分组为第一组；小震阻尼比为0.02，大震阻尼比为0.05。采用MIDAS、ETABS程序进行结构整体分析，采用弹性楼板，必须考虑P-驻效应。

4.3.1结构自振周期与振型。

4.3.2地震作用下结构受力分析。本项目小震下层间位移角见图3。对图3分析可知，变形情况满足设防目标要求。

4.3.3罕遇地震下结构静力弹塑性分析。本项目采用MIDAS、ETABS软件开展静力弹塑性分析，采用4种侧向力加载模式进行如下推覆分析［重力荷载（初始荷载）用S表示］：（1）S+振型1（X向）；（2）S+振型2（Y向）；（3）S+X向加速度；（4）S+Y向加速度[3]。根据计算结果显示，结构耗能减振机制良好，满足设计要求，可达到大震不倒的目标。