概述高层建筑结构及设计方法

【摘要】随着城市化发展进程的加快，国内的高层建筑不断涌现，作为一名建筑设计人员，必须要充分地理解高层建筑结构的特点以及高层建筑结构的体系，只有这样才能保证高层建筑设计达到经济合理、确保质量、技术先进和安全适用的原则。本文介绍了高层建筑结构及设计方法。

【关键词】高层建筑结构设计方法

中图分类号：TU97文献标识码： A

近年来，建筑事业不断发展起来，进行高层建筑结构设计与具体问题分析，有利于提高高层建筑结构设计的质量水平，保证高层建筑设计施工质量，具有积极作用和意义。

一、高层建筑结构体系的应用范围。

目前，我国的高层建筑基本上都是采用钢筋混凝土结构，其结构体系包括以下几种：剪力墙结构、筒体结构、框架结构以及框架-剪力墙结构等。

1、剪力墙结构体系。为了提高高层建筑结构的抗侧力钢度，便在高层建筑中设置钢筋混凝土墙体，这种墙体就被称为“剪力墙”。剪力墙的主要作用就是为了提高建筑整体的抗剪强度以及刚度，同时，墙体也被用作于维护以及分格房间的构件。剪力墙结构具有墙体较多的特点，不容易布置大面积的房间，为了能够满足旅馆房间布置餐厅、会议室以及门厅等大面积公共用房的要求，满足了在住宅楼底层布置公共设施以及商店的要求，在部分底层或者部分层可以用框架代替剪力墙，从而形成一种框支剪力墙结构。在框支剪力墙这种结构中，底层柱子的刚度比较小，导致上下的刚度发生突变，在地震的作用之下，底层的柱子会产生较大的内力以及较大的塑性变形，所以，这种框支剪力墙结构不允许被应用于地震区。

2、筒体结构体系。随建筑高度和层数的增加，以及对抗震设防要求的提高，用平面工作状态的剪力墙和框架来构成高层建筑的结构体系，通常情况下都无法满足要求。在这个时候可以用剪力墙来组成空间薄壁筒体，形成竖向悬臂箱形梁，增加柱子的密度，从而增强梁的刚度，还可以构成整体受力的框筒，用一个或者多个筒体为主来抵抗水平荷载的结构被称为筒体结构。筒体结构包括以下几种型式：

①筒中筒结构。这种结构是由内、外两个筒体构成，内筒是剪力墙簿壁筒，而外筒就是由密柱组成的框筒。因为外柱的密度较大，而梁的刚度也很大，门洞的面积较小，所以框筒的工作与普通的平面框架不同，具有很好的空间整体作用，就像一个多孔竖向箱形梁，具有很好的抗震和抗风能力。

②巨型结构体系。这种结构体系是由若干根巨型柱子（往往是由大面积的实体柱子或者电梯井组成）及巨梁（每间隔几层或者数十层设置一道，梁的横截面在一般情况占1~2层楼的高度）构成一组的巨型框架，承受主要的水平荷载和竖向荷载，其他楼面的柱子和梁便组成二级结构，二级结构只是把楼面的荷载传递给一级框架结构。在这种结构中的二级结构的柱梁截面比较小，从而使得建筑的布置具有很大的灵活性。

③框架筒体结构。在中央设置剪力墙簿壁筒，由它来承受大部分的水平荷载，在周边布上大柱距的普通框架，框架筒体结构的受力特点跟框架剪力墙结构的受力特点很像，目前，我国南宁市的地王大厦就是采用这种结构。

④成束筒结构。在平面上布置多个剪力墙薄壁筒体，每一个筒体都比较小，成束筒结构比较多地应用于平面形状复杂的建筑。

3、框架结构体系。这种结构体系基础、梁、柱以及楼板四种承重构件组成。由梁、柱、基础组成平面框架，作为主要的承重结构，然后再把各平面框架梁连接起来，这样就形成了一个空间结构体系，这种结构体系是高层建筑中常见的结构形式之一。这种结构体系的优点就是：平面的布置比较灵活，可以得到大空间，建筑立面的处理比较容易，建筑结构的自重较轻。

4、框架-剪力墙结构体系。在框架结构体系的基础上再设置一定数量的剪力墙便构成了框架剪力墙结构体系。框架-剪力墙结构体系既有框架结构体系使用方便和布置灵活的特点，同时具有较强的抗震能力和刚度，所以这种结构体系被广泛应用于高层建筑中的旅馆和办公楼。

二、高层建筑结构分析和设计方法。

1、结构分析中常用的基本假定。

（1）、弹性假定。弹性假定是指高层建筑结构在风务和垂直荷载作用下处于一种弹性状态，这种理论方法是基于结构构件在就力和应变成正比的变化关系的基础上的，但当建筑受到强台风或是地震时，结构会发生较大的位移，产生裂缝，结构进入到弹塑性工作阶段，这时候则不能再利用弹性假定来进行内力的计算，需要按照弹塑性动力分析方法来进行计算，从而真实的反映出结构的实际工作状态。

（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。但有不少人对几何非线性问题（P-效应）进行了二阶研究。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）、 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位移的自由度，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。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。（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：a、一维协同分析。按一维协同分析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。在水平力作用下，将结构体系简化为由平行水平力方向上的各榀抗侧力构件组成的平面结构。根据刚性楼板假定，同一楼面标高处各榀抗侧力构件的侧向位移相等，由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下，根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。b、二维协同分析。二维协同分析虽然扔将单榀抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作，扭矩与水平力同时计算。在引入刚性楼板假定后，每层楼板有 3 个自由度，楼面内各抗侧力构件的位移均由 3 个自由度确定。二维协同分析主要为中小微型计算机上的杆系结构分析程序采用。c、三维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调（竖向位移和转角的协调），而且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的简体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有 6个自由度。接符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有 7 个自由度。3 各类结构体系采用的分析方法

2、 框架-剪力墙体系框剪结构在竖向荷载作用下，可以假定各竖向承重结构之间为简支联系，将竖向荷载按简支梁板简单地分配给框架和墙，再将各框架和各剪力墙按平面结构进行分析计算。框架一剪力墙的计算机理，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。

3、剪力墙体系在剪力墙体系当中，开洞情况则直接决定剪力墙的受力特性与变形状态。剪力墙的种类较多，不同种类的剪力墙其截面应力分布也会有所不同，这样就对内力及位移进行计算时其方法则会有所不同，但对于剪力墙结构的计算机理主要以平面有限单元法来进行计算，此法较为精确，具有普通适用性。但在其计算时具有较高的自由度和耗费较大，所以通常只用于特殊开洞墙和框支墙的过渡层，只针对这些较为复杂的情况来应用。

4、筒体体系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。

结语：目前，人们对高层建筑的外观和使用功能的要求也越来越高，所以高层建筑无论在材料、力学分析等多个方面都开始向复杂化和多元化的方向发展，因此在高层建筑设计当中，对于结构的合理设计及设计方法的优化都是势在必行的，只有这样才能保证高层建筑的各项功能性得以有效的发挥，具有非常好的抵抗地震的性能，同时在结构上还具有较好的经济性。

参考文献

[1]王成祥,王朱翔.关于高层建筑底部大开间剪力墙结构设计的探讨[J].科技致富向导,2011(11).

[2]韩辉.基于高层建筑结构设计中平面不规则问题的分析与处理[J].中外建筑,2010(5).