刍议高层建筑结构设计的探讨

【摘要】随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式，材料，力学分析模型都将日趋复杂多元，为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。

一、高层建筑结构设计特点

1 水平荷载成为决定因素。

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，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2 轴向变形不容忽视。

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

3 侧移成为控制指标。

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

4 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。

二、高层建筑结构的体系

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剪力。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。

3 筒体体系。

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。

三、高层建筑结构的计算与分析

根据工程整体结构计算的要求，选择合适的软件来建立合理精确地模型，对不同软件计算的结构进行横向比较，为最终的设计工作奠定基础。应把握高层结构设计中的注意环节：

1 周期折减系数。在高层结构的周期分析中，很容易忽略掉非结构的砌体填充墙所带来的影响。显然，周期的折减应考虑到非结构性构件的影响作用，而且不同的结构类型和填充墙的形式也决定了周期折减系数的取值。

2 选择足够的振型数目。通常对于规则高层建筑而已，选择其前三阶振型计算即可满足计算要求，在分析的过程中，应依据规范要求对计算结果进行合理判断；但对于一些不规则的高层结构而已，或者对于一些有特殊构件的结构而已，局部的振动也必然存在，此时因根据具体的振动特性来选择振型数目的取值。

3 明确多塔之间的藕联计算。在高层建筑结构形式中，主塔建筑和裙塔建筑构成的藕联体系是一种常见的结构形式，按结构的受力特点，将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算是满足力学基本要求的规定，但是很多工程师为了计算的方便通常都是分开单独计算，这样处理显然是存在问题的。当多塔间刚度相差较大的时候，两者之间就存在“耦合效应”，此时若忽视掉就必然使得塔楼的计算误差仍然有较大，从而导致结构出现不安全的隐患。

四、高层建筑结构的抗震设计

1减少地震能量输入

积极采用基于位移的结构抗震设计，要求进行定量分析，使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。除了验算构件的承载力外，要控制结构在大震作用下的层间位移角限值或位移延性比；根据构件变形与结构位移关系，确定构件的变形值；并根据截面达到的应变大小及应变分布，确定构件的构造要求。选择坚硬的场地土建造高层建筑，可以明显减少地震能量输入减轻破坏程度。

2 积极推广使用隔震和消能减震设计

延性结构体系即适当控制结构物的刚度，但容许结构构件在地震时进入非弹性状态，并具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。采取软垫隔震、滑移隔震、摆动隔震、悬吊隔震等措施，改变结构的动力特性，减少地震能量输入，减轻结构地震反应，是一种很有前途的防震措施。提高结构阻力，采用高延性构件，能够提高结构的耗能能力，减轻地震作用，减小楼层地震剪力。

3 高层建筑结构应设置多道抗震防线

当第一道防线的构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线能抵挡后续地震的冲击，使建筑物免于倒塌。高层结构形式应采用具有联肢、多肢及壁式框架的框架剪力墙，剪力墙框架简体，筒中筒等多道抗震防线结构体系。但是设计不能陷入只凭计算的误区，若结构严重不规则，整体性差，仅按目前的结构设计计算水平，是难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。因此，建筑师与结构工程师需共同把好初步设计这一环节。

五、 结语

高层建筑的结构设计任务复杂繁重，设计人员应当认真学习规范，努力提高理论知识，依据工程的实践经验，把握工程设计要点，针对其中不足的地方，采取相应处理方法进行必要的调整完善，才能设计出高质量、高品质的工程。