浅谈高层建筑结构设计

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【摘要】随着经济的发展，高层建筑日渐普遍，其结构设计问题也日益被人们所重视。本文围绕高层建筑的特点，以高层建筑结构设计原则为中心，对高层建筑结构做出了解析，分析了高层建筑结构设计中存在的一些问题，提出了各种体系相对应的方法，为高层建筑设计提出了参考。为实际高层建筑结构分析与设计提了一些建议。 

【关键词】高层建筑；结构；设计  目前我国高度在104米以上的建筑已经远远超过了100幢，可见高层建筑的普及趋势，在建筑的“增高”过程中，侧移和内力随着结构高度增加而急剧增加，当高层建筑达到一定高度时，侧向位移力很大，这就大幅度提高了对设计的要求，高层建筑结构设计的质量直接关系到建筑的质量。  1 高层建筑结构的特点  1.1 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。  1.2 侧移是控制的度量尺  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。  1.3 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。  1.4 水平荷载的决定性作用  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。  1.5 抗震设计要求  抗震设计要求更高有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。  2 几种高层建筑结构常见体系  2.1 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，包括单简体、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，多应用于大跨度、大空间或超高层建筑。  2.2 筒体结构  当结构层数多、高度大、抗震要求高时，常规三种结构型式往往不能满足要求，这种情况下，可以将剪力墙集中配置为薄壁筒体；框架转化为密柱的框筒，它们类似于竖向悬臂箱形截面梁，具有很大的强度和刚度。这种由一个或多个筒体(薄壁筒或框筒)来承受水平荷载的结构，称为筒体结构。  2.3 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。  2.4 框架结构  框架结构由杆件(梁、柱)刚性连结而成，它布置灵活，能形成较大的室内空间，使用比较方便。由于框架梁柱截面较小、对强烈地震的抵抗能力较差，容易产生严重震害，加之刚度小、侧移大，填充砌体墙和室内装饰也容易损坏、倒塌，震害修复费用很高，因而它主要用于无抗震设防要求、层数较少的建筑中，在地震区尽可能不用。  2.5 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 高层建筑结构设计分析和方法  3.1 对高层建筑结构的分析  3.1.1 短肢剪力墙的设置问题  在新规范中，对墙肢截面高厚比为 5～8 的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。  3.1.2 嵌固端的设置问题  由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性。  3.1.3 结构的规则性问题  新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。  3.2 高层建筑结构设计的建议  3.2.1 重视设计概念  在建筑的坚固性上，由于高层建筑结构复杂多样，发生地震时地震运动不确定，人们对地震时结构响应的认识有很大的局限性和模糊性，加之材料性能与施工安装时变异性以及其他不可预测的因素，致使设计计算结果和实际相差较大，甚至有些作用效应至今尚无法定量计算出来。因此，在设计中，虽然分析计算是必须的，但仅此往往不能满足结构安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标，还必须非常重视概念设计。概念设计是通过无数的事故分析、历年来国内外震害分析、模拟试验的定量、定性分析以及长期以来国内外的设计与使用分析、归纳、总结出来的，它是结构设计人员运用所掌握的知识和经验，从宏观上决定结构设计中的基本问题。如，结构方案要根据建筑使用功能、房屋高度、地理环境、施工技术条件和材料供应情况、有无抗震设防，选择合理的结构类型；分析竖向荷载、风荷载及地震作用对不同结构体系的受力特点及传递途径；分析结构破坏的机制和过程，以加强结构的关键部位和薄弱环承载力和刚度在平面内及沿高度尽量均匀分布，避免突变和应力集中，有利于防止薄弱的子结构过早破坏、倒塌，使地震作用能在各子结构之间重分布，充分发挥整个结构耗散地震能量的作用等。  3.2.2 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。  3.2.3 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 结语  综上所述，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。高层建筑结构设计是一项复杂的系统工程，需要工程师在设计中不断地创新，不断地总结经验，考虑设计的各个因素，为建筑界的发展交上完美的答卷。  参考文献：  [1]吕杨 浅谈高层建筑结构设计的特点 2001  [2]赵明华 如何对高层建筑结构进行设计分析之探析 2010  [3]黄晓梅 着重探讨高层建筑结构设计 2010