关于高层建筑结构设计要点研究

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摘 要：建筑结构作为建筑物的基本组成部分，是建筑物赖以存在的基础，主要是指建筑物或构筑物中用来承受各种荷载以及其他外来因素(建筑地基不均匀沉降，温度变化引起的伸缩、地震等)对建筑的间接作用，对建筑起到骨架作用的空间受力体系。本文从分析高层建筑的设计特点出发，以高层建筑结构设计理论为基础，从而讨论高层建筑分析与设计方法。

关键词：高层建筑 结构 设计

中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：

前言

高层建筑结构设计是针对高层建筑特性的建筑结构设计在满足安全、适用、耐久、经济和施工可行的要求下，按有关设计标准的规定，对建筑结构进行总体布置、技术经济分析、计算、构造和制图工作，并寻求优化的过程。

一、结构分析与设计特点

1水平载荷产生的内力及侧移的影响

任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。在较低楼房中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，水平荷载产生的内力和位移很小，对结构的影响也就较小；但在较高楼房中尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，水平荷载却起着决定性的作用。随着楼房层数的增多，水平荷载作用下结构产生的内力及侧向位移迅速增大，这同样也要求结构具有足够的抗侧刚度，使之在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。总之水平荷载愈益成为结构设计中不可小视的控制因素。在6度抗震设防设计中，很多情况是风作用为控制性工况；在7度以上抗震设防设计中地震作用是控制性作用，地震作用对高层建筑危害的可能性也比较大，高层建筑结构设计中的抗震设计是重点。

2竖向变形的影响

通常在多层建筑结构分析中，由于轴力项影响很小，多以考虑弯矩项为主。但对于高层建筑结构，情况就不同了。由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。对连续梁弯矩的影响：采用框架体系和框－墙体系的高楼中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩增大。

3结构整体刚度的影响

高层建筑的刚度决定其在地震中吸收与释放能量的大小，刚度大的建筑在地震中吸收的能量多，释放的较少；较柔的结构在地震中吸收的能力少，释放的多。故此结构在地震中的整体刚度表现一定要适中，特别需要在构造上采以恰当的措施，来保证结构的刚度要求。

二、高层建筑的结构体系

不同的建筑会采用不同的结构体系。结构体系是指结构抵抗外部作用的构件组成方式。在高层建筑中,抵抗水平力是设计的主要矛盾,因此抗侧力结构体系的确定和设计就成为结构设计的关键问题。高层建筑中基本的抗侧力单元是框架、剪力墙、实腹筒(又称井筒)框筒及支撑,由这几种单元可以组成多种结构体系。

1剪力墙体系

建筑物中的竖向承重构件主要由墙体承担时,剪力墙(抗震规范称之为抗震墙)墙体既承担水平构件传来的竖向荷载,同时承担风力或地震作用传来的水平荷载。剪力墙是建筑物的分隔墙和围护墙,因此墙体的布置必须同时满足建筑平面布置和结构布置的要求。剪力墙结构体系有很好的承载能力,而且有很好的整体性和空间作用,比框架结构有更好的抗侧力能力,因此,可建造较高的建筑物。剪力墙的间距应有一定限制,故不可能开间太大,对需要大空间时就不太适用、灵活性差,一般适用于住宅、公寓和旅馆。剪力墙结构的楼盖结构一般采用平板,可以不设粱,所以空间利用比较好,可节约层高。

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。

3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。通常简体结构基本形式有三种：实腹筒、框筒及桁架筒。筒体结构最主要的特点就是它的空间受力性能良好。不论哪一种简体，在水平力作用下都可看成固定于基础上的箱形悬壁构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有良好的抗扭刚度。简中筒结构是一种抵抗较大水平力的有效结构体系，但其抗侧刚度较大，吸收地震能量大，延性不好，这就造成造价比较高，从经济效益角度考虑还需慎重。

三、高层建筑结构分析的基本假定

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。

1弹性假定

目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。

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) 进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移与建筑物高度 H 的比值/H ＞1/5O0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筒体结构提供了条件。

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:

4．1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移相等，由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下，则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。

4．2二维协同分析

二维协同分析虽然仍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，同时计算; 扭矩与水平力同时计算。在引入刚性楼板假定后，每层楼板有三个自由度，楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。

4．3三维空间分析

三维空间分析的普通杆单元每一节点有 6 个自由度，按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。

四、结语

结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。设计人员要从一个个基本的构件算起，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计，善于总结工作中的经验和教训，准确抓住高层建筑工程之设计要点，对所计算的结果进行合理的分析与科学的判断，只有这样才能设计出具有过硬质量和优秀品质的高层建筑。