探析高层建筑结构设计

摘要：随着城市化发展以及建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多。本文简要介绍了高层、超高层建筑的结构体系，为实际高层建筑结构分析与设计提供一定的参考。

关键词：高层建筑、结构、设计、原则、体系、问题

一、高层建筑结构设计原则

1.选用适当的计算简图：结构计算式在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当则会导致结构安全的事故常常发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。

2. 以承载力、刚度、延性为主导目标，实施多道防线、刚柔结合的结构形式。即应具有一定大的刚度和承载力来抵御风荷载和小震，随着第一道防线破坏，结构变柔后仍有足够大的弹塑性变形能力和延性耗能能力来抵御未来可能遭遇的罕遇大震。

3.合理选择构方案：一个合理的设计必须选择一个经济合理的结构方案，也就是要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷。同一结构单元不宜混用不同结构体系，地震区应力求平面和竖向规则。总而言之，必须对工程的设计要求、材料供应、地理环境、施工条件等情况进行综合分析，并与建筑、电、水、暖等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时应进行多方案比较，择优选用。4. .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。

5.正确分析计算结果：在结构设计中普遍采用计算机技术，但是由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、条件等进行全面了解。在计算机辅助设计时，由于结构实际情况与程序不相符合，或人工输入有误，或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，因而要求结构工程师在拿到电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。

6. 应重视上部结构与其支承结构整体共同作用的机理，即传力与受力结构两者之间的共同作用；例如，在高层建筑的箱基和筏基的底板设计中，计算软件无法进行上部结构―－地下室―－地基基础的相互作用分析，计算出来的底板内力远远大于底板实际受到的内力。

二、高层建筑的结构体系

对于结构设计来讲，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系，一般分为六大类：纯框架结构体系、剪力墙结构体系、框架―剪力墙结构体系、框―筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系。1.纯框架体系。纯框架体系是指竖向承重结构全部由框架组成。在水平荷载下，本体系强度低、刚度小、水平位移大，称为柔性结构体系。纯框架体系在高烈度地震区不宜采用。目前主要用于10层左右住宅楼及办公楼。过高则因水平荷载所引起的柱中弯矩加大，使底层柱断面过大而影响使用。框架体系因只有框架柱承重而形成较大的灵活空间，使建筑平面布置不受限制。2.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。 3.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。 4.筒体体系。筒体结构由框架或剪力墙围合成竖向井筒，并以各层楼板将井筒四壁相互连接起来，形成一个空间构架。筒体结构比单片框架或剪力墙的空间刚度大得多，在水平荷载作用下，整个筒体就象一根粗壮的拔地而起的悬臂梁把水平力传至地面。筒体结构不仅能承受竖向荷载，而且能承受很大的水平荷载。另外，筒体结构所构成的内部空间较大，建筑平面布局灵活。筒体结构适用于超高层建筑，尤其在地震区更能显示其优越性。三、高层建筑结构概念设计需要关注的几个问题

1．正确认识高层建筑的受力特点。选择合理的结构类型高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构, 垂直荷载主要使结构产生轴向力与建筑物高度大体为线性关系; 水平荷载使结构产生弯矩。从受力特性看, 垂直荷载方向不变,随建筑物的增高仅引起量的增加;而水平荷载可来自任何方向, 当为均布荷载时, 弯矩与建筑物高度呈二次方变化。从侧移特性看, 竖向荷载引起的侧移很小, 而水平荷载当为均布荷载时, 侧移与高度成四次方变化。由此可以看出, 在高层结构中, 水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响, 水平荷载是结构设计的控制因素, 结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有较大的强度外, 同时要求结构要有足够的刚度, 使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。

2.正确选择否理的结构体系由于高层建筑中抗水平力成为设计的主要矛盾, 因此采用何种抗侧力结构是结构设计的关键性问题。根据抗侧力结构的不同, 钢筋砼结构主要可分为框架结构、框架―――剪力墙结构、剪力墙结构和筒体结构等几种结构体系, 这些体系的受力特点、抵抗水平力的能力,特别是抗震性能等有所不同, 因此具有不同的适用范围。

3.提高结构的抗震性能由于高层建筑的受力特点不同于低层建筑, 因此在地震区进行高层建筑结构设计时, 除应保证结构具有足够的强度和刚度外, 还应具有良好的抗震性能。通过合理的抗震设计, 使建筑物达到小震不坏, 中震可修, 大震不倒。为了达到这一要求, 结构必须具有一定的塑性变形能力来吸收地震所产生的能量, 减弱地震破坏的影响。4.高层建筑结构设计中的扭转问题。建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心，在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点，即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏，应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷载作用下，高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀，减轻结构的扭转振动，应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简面形式。在某些情况下，由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不可能全部采用简面形式，当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内，同时，在结构平面布置时，应尽可能使结构处于对称状态。

四、结束语

近年来，我国的高层建筑建设发展迅速。但从设计质量方面来看，并不理想。所以，在未来的工作中，我们不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择，以确保质量与进度，全面完成工程任务。作者简介：李文锋，广东省佛山市三水人，毕业于广州大学土木工程学院，从事建筑结构设计。