对高层建筑结构设计浅谈

（浙江高专建筑设计研究院有限公司，浙江，宁波，315016）

【摘要】高层建筑已成为我国楼房建筑中的主流，随着人们生活水平的提高，人们对楼房的要求也越来越高，高层建筑不仅要舒适，还要具有安全性、经济性等，本文就针对高层建筑结构设计进行简单的探讨。

【关键词】高层建筑；结构设计

随着社会的发展，我国城市的用地面积越来越少，城市的建筑也越来越趋于向高层建筑发展，现在大部分楼层都在十几层以上，三四十层高的楼也已经不少见。建筑的体型和功能越来越复杂，结构体系及结构材料也更为多样化，这样的高层建筑，其结构设计也就成为结构工程师的难点和重点。

1 高层建筑结构设计的概念及内容

高层建筑结构设计是指根据高层建筑特性的建筑结构设计，在满足适用、安全、经济、耐久和施工可行的前提下，按有关的设计标准规定，对建筑结构进行技术经济分析、总体布置、计算、构造及制图工作，并寻求优化的过程。简单来说，就是用结构语言表达出工程师们想表达的东西。在建筑结构设计中，就是把建筑物或者建筑结构体系中的墙、柱子、楼梯、梁等用图纸中的结构元素来表示出来，同时还要计算出它的抗力及承重等能力。在结构设计中主要包括结构方案、结构计算及施工图设计三个阶段，每个阶段对于结构设计来说都是很重要的。

2 高层建筑结构设计的特点

2.1 水平力成为结构设计的主要因素

当建筑物高度增加时，水平荷载(风荷载及地震作用)对结构起的作用将愈来愈大。除了结构内力将明显加大外，结构侧向位移增加更快。我们知道：建筑物楼面的使用荷载和自重在竖向构件产生的弯矩和轴力与其高度的一次方成正比，水平荷载产生的弯矩及轴力与建筑物高度的二次方成正比，水平荷载产生的结构侧向位移与建筑高度的四次方成正比。因此，在高层建筑中，结构要使用更多材料来抵抗水平力，另一方面，对一定高度建筑来说，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，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化，所以结构的抗侧力设计成为高层建筑结构设计的主要因素。

2.2 高层建筑中的侧移控制

与低层建筑相比，高层建筑结构设计中的另一个关键因素就是侧移，当建筑越高时，结构的侧移变形就会越大。过大的结构侧移会造成显著的重力二阶效应，造成结构内力增大并影响结构稳定，过大的侧移也会造成建筑构件或设备的破坏以及使用者的不适。对于一定的水平作用，结构的抗侧刚度大，那么结构侧移就小。但过刚的结构也会造成结构地震作用不必要的增大，所以结构设计中要控制结构的合理刚度，把侧移控制在合理范围。

2.3 更高的抗震设计要求

抗震设防区的高层建筑必须具有良好的抗震性能，做到小震不坏，中震可修，大震不倒。相对与多层结构，高层结构在地震作用下，具有更大的水平作用及侧移，因此，高层建筑平立面也更讲究规则性，结构要求具有更高的抗震等级。对于一些较高的高层建筑或具有薄弱层的高层建筑，也要求进行弹塑性分析进行补充设计。

2.4 高层建筑竖向压缩变形不容忽视

高层建筑中，竖向构件的轴力往往较大，其产生的压缩变形量往往相当可观，因此结构设计中要考虑到竖向构件的压缩变形。

3 高层建筑结构设计需选择合适的结构体系

在结构设计当中，结构体系的选择是很重要的一步，合理的结构体系不但可满足结构的受力要求，更具有良好的经济性及更高的结构安全富余。常用的结构体系有框架结构体系，剪力墙结构体系，框架―剪力墙结构体系以及筒体结构体系。

3.1 框架结构体系

框架结构主要由梁柱等杆件单元形成空间的框架结构体系，可以承受竖向荷载及一定的水平力的作用。框架结构的优点是计算理论成熟，杆件受力明确，结构的布置灵活，一定高度内造价较低。缺点是抗侧刚度较弱，在水平力作用下会产生较大的侧移，且大部分侧移发生在内力较大的结构底部部位，破坏后易产生严重后果。因此框架结构常应用于层数较少，高度较低的建筑中。

3.2 剪力墙结构体系

剪力墙结构是空间盒子式结构，其水平作用和竖向荷载完全由剪力墙体承受，其刚度及空间整体性都比较好。剪力墙结构体系的优点是抗水平作用能力强、整体性好、用钢量较小，可以适用较高的建筑。缺点是因剪力墙布置的要求，不易布置成较大的房间。因此剪力墙结构常应用于住宅及宾馆类建筑中。

3.3 框架―剪力墙结构体系

在框架结构中布置一定数量的剪力墙，可以组成框架―剪力墙结构，这种结构既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗水平作用的能力，因而广泛地应用于高层建筑中的办公楼和旅馆。

3.4 筒体结构体系

这种体系是在框架结构、剪力墙结构的体系上发展起来，当高层建筑不断地增加层数、高度越来越高时，原来的框架、剪力墙结构就变得不合理和不经济了，简体结构就相应地诞生了，它是将剪力墙围成箱型，构成了一个空间薄壁筒体，可以提供更大的侧向刚度，所以筒体结构可以适用与更高的建筑。

4 高层建筑结构中需要注意的几个问题

4.1 抗震设计中的注意事项

高层建筑结构设计中的抗震设计是非常重要的一部分，它应符合抗震概念设计的要求，选择规则的设计方案，规则结构其刚度、承载能力及变形能力更强，不规则结构一般会破坏整个结构承受风荷载、重力荷载及抗震能力，因此尽量选择设计对称、规则的结构方案。另外，在抗震设计中，还要注意到结构构件本身的刚度、延性、稳定性及承载力等方面性能，且要遵守强剪弱弯、强柱弱梁、强底层柱及弱构件强节点的原则。对于结构的薄弱环节，要采取措施加强其抗震的能力同时要重视整体结构中其他部位的刚度及承载能力，以免薄弱层发生转移。

4.2 高层建筑结构设计中的受力性能

在高层建筑结构的最初设计方案中，注重点不应该在它的具体结构上而是更多地关注它空间组成的特点，这是因为建筑物的空间形式包括水平方向和竖向的稳定性都是依靠建筑物的地面作为支撑的，建筑地面即地基对于建筑物来说是非常重要的，建筑物基本都是由大构件组成的，它们的重量及结构的荷载基本都是向下作用在地面上的，这就要求在建筑结构设计时，首先要搞清楚所选择的结构体系与地面间承载力的关系，然后对承重墙和承重柱的分布及数量作出总体的设想，这是建筑结构设计方案中很重要的一部分，影响着建筑结构设计的整体质量。

4.3 关于建筑结构设计中扭转问题的注意

在高层建筑结构中，建筑结构有个很重要的建筑三心即刚度中心、几何形心和结构重心，在建筑结构设计时要尽量做到三心合一，而建筑结构的扭转问题就是指在高层建筑结构设计时没有做到三心合一，并且在水平荷载的作用下发生结构扭转振动。因此，在建筑结构设计时应尽量选择合理的结构平面布局及形式，使建筑尽量的三心合一，以免因水平荷载的作用使建筑发生扭转破坏。在实际的高层建筑中我们也经常会看到一些不规则的平面形式如T形、L形及十字形等比较复杂的平面，这种结构设计，应该尽量让突出部分的宽度和厚度的比值在规定的范围之内，让它的结构尽量处于对称状态。

4.4 对结构计算阶段的单位面积重度、剪重比及位移限值要注意

在结构计算阶段，单位面积重度是衡量楼层何在数据是否正确及构建截面取值合不合理的重要指标之一，其公式为V=G/A(kN/m2)。在同种性质的建筑中，单位面积重度为层数较多的建筑要大于层数少的建筑，剪力墙多的大于剪力墙少的建筑。其剪重比的大小则反映了建筑在地震作用下抗震能力的大小，位移限值是衡量结构侧移的重要标准，其数值的大小从侧面反映了结构整体的刚度，刚度的过大或过小会给设计者对结构体系、竖向及平面布置的合理性进行再思考，对于结构计算当中的这些参考数值要给予重视，以便能制定出合理的结构设计。

总结：

建筑结构设计在高层建筑中起着非常重要的作用，同时它又是一项艰巨复杂的工作，需要结构工程师不仅拥有丰富的专业知识及其工作经验还要有很好的耐性，依据高层建筑的设计原理及设计原则，选择合适的结构体系，从而建设出具有世界水平的高层建筑。

参考文献

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