谈建筑结构体系及设计方法

摘要：随着社会发展，科学技术的进步，基本建设规模的大型建筑、高层建筑等结构形式越来越多。本文以工作经验为基础，对高层建筑结构分析与设计的基本特点；常用的基本假定和所采用的分析方法进行了探讨。

关键词：高层建筑 结构分析 设计 水平载荷

1.建筑结构分析与设计的基本特点

1.1 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。

1.2 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。

1.3 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。

2. 高层建筑结构的体系类型

2.1 框架――剪力墙体系

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――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――剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架――剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

2.2 剪力墙体系

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――剪力墙体系。

2.3 简体体系

凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，包括单筒体、简体――框架、筒中筒、多束筒等多种型式。简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。

3. 结构分析中常用的基本假定

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、简体等）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。

3.1 弹性假定

目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受罕遇害地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，结构进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实的工作状态，应按弹塑性动力分析方法进行设计。

3.2 小变形假定

小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少学者与研究人员对几何非线性问题（JP――效应）进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移与建筑物高度H的比值/H>1/500时，P――效应的影响就不能忽视了。

3.3 刚性楼板假定

许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构的自由度，简化了 计算 方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算简体结构提供了条件。一般来说。对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。

3.4 计算图形的假定

高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：①一维协同分析；②二维协同分析；③三维空间分析。

4.各类结构体系采用的分析方法

4.1 框架――剪力墙体系

框架――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――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。

4.2 剪力墙体系

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。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。因其自由度较多，计算资源耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支剪力墙的转换层等应力分布复杂的情况。

4.3 简体结构

简体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分类为：等效连续化方法、等效离散化方法。

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。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。

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。这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架予结构法等。具体应用包括等代角柱法、展开平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子结构法。

5. 结束语

总之，在 科学 技术 发展 ，各种计算分析软件日益完善的今天，提倡建筑结构设计采用新的思想来促进设计人员的创造性。推动建筑结构设计的发展；寻求有效的手段，确立崭新的建设观念，从而创造良好的生活环境，这是我们对建筑结构设计进行研究与实践的最终目标。

参考文献：

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