浅析高层建筑的结构设计与特点

浅析高层建筑的结构设计与特点

摘要：结构设计是一项集结构分析，数学优化方法以及计算机技术于一体的综合性技术工作，是一项对国家建设有重大意义的工作，同时，亦是一门实用性很强的工作。本文就高层建筑的结构设计的各个方面进行分析，一起有助于提高结构工程师在建筑空间中的设计能力，特别是在处理高层建筑方面的问题上。

关键词：高层建筑；结构设计；选型；结构体系；

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。

一、 高层建筑结构的布置原则与要求

（一） 结构平面布置 。平面形状简单、规则、对称尽量使质心和钢心重合。偏心大的结构扭转效应大,会加大端部构件的位移,导致应力集中。平面突出部分不宜过长。扭转是否过大,可用概念设计方法近似计算钢心、质心及偏心距后进行判断,还可以比较结构最远边缘处的最大层间变形和质心处的层间变形,其比值超过1.1者,可以认为扭转太大而结构不规则。高层建筑不应采用严重不规则的结构布置,当由于使用功能与建筑的要求,结构平面布置严重不规则时,应将其分割成若干比较简单、规则的独立结构单元。对于地震区的抗震建筑,简单、规则、对称的原则尤为重要。

（二） 结构立体布置 。结构竖向布置最基本的原则是规则、均匀。规则主要是指体型规则,若有变化,亦应是有规则的渐变。体型沿竖向的剧变,将使地震时某些变形特别集中,常常在该楼层因过大的变形而引起倒塌；均匀是指上下体型、刚度、承载力及质量分布均匀,以及它们的变化均匀。结构宜设计成刚度下大上小,自下而上逐渐减小。下层刚度小,将使变形集中在下部,形成薄弱层,严重的会引起建筑的全面倒塌。如果体型尺寸有变化,也应下大上小逐渐变化,不应发生过大的突变。上不楼层收进使得体型较小的情况经常发生,但是对于收进的尺寸应当限制。收进的部位越高,收进后的平面尺寸越小,高振型的影响明显加大。如果上部楼层外挑,造成“头重脚轻”的状况,将使扭转反映明显加大,竖向地震影响也明显变大。

二、结构分析与设计特点

(一)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。

(二)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着，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显着的改变。对连续梁弯矩的影响：采用框架体系和框剪墙体系的高楼中，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。

(三)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。

(四)结构延性是重要设计指标 相对低层结构而言，高层结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使建筑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以恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

三、高层建筑结构体系

结构当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架一剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平荷载。框架一剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。

当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框

架或框架一剪力墙体系。

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体—框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

四、高层建筑结构分析与设计方法

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件(框架、剪力墙、筒体等)通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定：弹性假定；小变形假定．刚性楼板假定；计算图形的假定。

对于框架一剪力墙体系来说，框架一剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。框架一剪力墙的计算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的计算方法是平面有限单元法。筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理；等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析；比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆一薄壁杆系矩阵位移法。

五、抗震分析与设计在高层建筑的应用

在罕遇地震作用下，抗震结构都会部分进入塑性状态。为了满足大震作用下结构的功能要求，有必要研究和计算结构的弹塑性变形能力。当前国内外抗震设计的发展趋势，是根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求进行设计，结构弹塑性分析成为抗震设计的必要的组成部分。我国现行抗震规范(GB50011-2001)要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下(小震)，按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法计算内力及位移。对于重要建筑或有特殊要求时，要用时程分析法补充计算，并进行罕遇地震作用下(大震)的变形验算。

在我国高层建筑的抗震分析与设计中常见的问题有以下几种：首先，是高度问题，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。其次，是材料选用和结构体系的问题，在高层建筑中，我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系(框一筒、筒中筒和框架一支撑)，这些也是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外特别在地震区，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，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。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。第三，是轴压比与短柱问题，在钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制柱的轴压比而使柱的截面很大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋。柱的塑性变形能力小，则结构的延性就差，当遭遇地震时，耗散和吸收地震能量少，结构容易被破坏。第四，在某些烈度区采用了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已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”。有人主张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．高层建筑结构发展趋势

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。

参考文献

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