高层建筑结构设计的影响因素探究

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摘要：随着现代城市的发展，建筑越来越趋向于高层化，在提高了城市空间的利用率的同时，其结构的安全性稳定性也日益受到广泛关注。因此加强对高层建筑结构设计的研究，对存在的影响因素进行分析，并采取相应的措施予以解决，是每个建筑设计师都必须考虑的问题。

关键词：高层建筑；设计；结构；因素

中图分类号： TU97 文献标识码： A

在城市建设中，高层建筑越来越多，对于建筑设计人员来说，应当充分了解高层建筑的结构特点，对影响建筑结构体系稳定、安全的因素进行充分研究，以保证其经济性、合理性。

一、高层建筑结构设计中影响因素分析

结构设计会影响到建筑的平面布置、楼层高度、施工技术的要求、投资造价的高低、立面体形、机电管道的设置和施工工期长短等等。

1、结构侧移问题

在高层建筑结构设计中，结构侧移是其中的一个关键因素。随建筑高度的增加，在水平荷载的作用下，结构的侧向形变会因此迅速增大，结构的这种变形与建筑高度的4次方成正比例的关系。

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除此之外，随着高层建筑高度的增加、新的建筑形式以及结构体系的出现、轻质高强材料的应用和侧向位移的迅速增大，在设计过程中不仅要求建筑结构具有足够的强度，而且还要求结构具有足够的抗推刚度，使得建筑结构在水平荷载的作用下所产生的侧移被控制在一定的限度内，否则就会产生下述的情况：

（1）使得居住在房子里的人员感到不适或者惊慌。

（2）使得建筑的主体结构构件出现较大的裂缝，甚至损坏。

（3）侧移会产生的较大的附加内力，特别是竖向的构件，当侧向位移增大的时候，偏心就会加剧，当侧移所产生的附加内力超过了某一数值时，会导致房屋出现侧塌的现象。

（4）使得填充墙或者建筑装饰损坏或者开裂，损坏机电设备管道，使得电梯轨道发生形变从而导致其不能正常运行。

2、高层建筑自重因素

减轻高层建筑自重是结构设计中重点考虑的因素。从桩基承载力或者地基承载力来考虑，如果在相同的地基或者桩基的情况下，减轻建筑的自重就意味着在不增加基础造价以及相关处理措施的情况下，可以多建几层，这对于软弱的土层有着突出的经济效益。地震效应与建筑的重量成正比例关系，减轻建筑的自重可以有效地提高建筑结构的抗震能力。高层建筑的重量过大，在地震发生时作用于建筑结构上的地震剪力大，而且高层建筑的重心较高，地震作用倾覆力矩较大，这样会对竖向的构件产生很大的附加轴力，最终导致附加弯矩变得更大。

3、概念设计与理论计算同等重要

建筑的抗震设计可分为概念设计以及计算设计两个部分。高层建筑结构的抗震设计计算是建立在一定的假设条件下的，尽管分析原则在不断完善，分析的手段在不断提高，但是由于地震对建筑作用的不确定性以及复杂性，建筑结构体系本身的复杂性以及地基影响的复杂性，可能会导致理论的计算数值与实际情况相差好几倍，特别是当建筑结构进入到弹塑性阶段以后，结构构件会出现局部开裂，严重时甚至还会造受损坏，在这个时候，结构已经很难再利用常规的计算原理对其进行分析。经实践表明，在进行高层建筑设计的过程中，把握好概念设计也是非常重要的。

4、水平力是在设计过程中考虑的主要因素

在低层或者多层建筑的结构中，在一般情况下都是以重力为代表的竖向荷载对结构的设计起着控制的作用。而在高层建筑当中，尽管以重力为代表的竖向荷载对结构的设计依然会产生重要的影响，但水平荷载才对高层建筑的结构设计起到决定性的作用。

因为建筑的自重以及楼面的使用荷载以竖向构件所产生的弯矩和轴力的数值，只和建筑高度的一次方成正比例关系；然而水平荷载对建筑结构所产生的倾覆力矩以及因此于竖向构件中产生的轴力，与建筑高度的二次方成正比例关系。在另一个方面，对于一定高度的建筑，竖向荷载一般情况下是一个定值，而作为水平荷载的地震作用以及风荷载，其数值的大小会随着建筑结构动力性的不同而产生较大的变化。

5、对抗震设计的要求更高

在对具有抗震设防的高层建筑结构进行设计时，除了需要考虑在正常使用过程中竖向荷载以及风荷载以外，还必须让建筑结构具有良好的抗震能力，达到小震不坏，大震不倒的要求。

6、轴向变形不可以忽视

采用框架剪力墙体系和框架体系的高层建筑，其框架中柱的轴压应力一般情况下都会大于边柱的轴压应力，中柱中所形成的轴向压缩变形往往大于边柱的轴向压缩变形。当建筑的高度很高时，这种轴向变形的差异就会达到一个较大的数值，其结果就相于连续梁中间支座沉陷，使得连续梁中间支座的负弯矩减小，端支座负弯矩值和中正弯矩值增大。

二、高层建筑的结构体系

1、高层建筑结构的设计原则

（1）高层建筑的结构设计应该重视结构的构造与选型，优先选择抗风和抗震能力好而且经济效益良好的结构体系以及平、立面布置方案，并且还要加强对构件的连接。在进行抗震设计的过程中，应该确保结构整体的抗震性能，从而使得建筑的整体结构具有足够的承载力、延性和刚度。

（2）钢筋混凝土高层建筑的结构设计应该要与建筑、施工和设备相互配合，做到经济合理、技术先进、安全适用，并且要积极应用新的材料、新的工艺以及新的技术。

2、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。

在剪力墙结构当中，由钢筋混凝土墙体来承受所有的水平荷载以及竖向荷载，剪力墙沿横向和纵向两个方向正交布置，或者沿多轴线进行斜交布置，剪力墙结构的钢度大，空间的整体性比较好，还可以节省钢的用量。采用剪力墙结构可以很好地适应墙体多、面积不大的特点，而且还可以让房间不露梁柱，让房间更为整齐美观。

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：

（3）框架结构体系。该结构是由梁、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。

三、结语

除了上述所介绍的几种结构体系外，还有其他很多类型，如：悬索、网架、薄壳以及膜结构等等，但是目前应用最为广泛的还是以上四种：剪力墙结构、筒体结构、框架结构以及框架-剪力墙结构。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。

参考文献

[1]蔡绍怀.钢管混凝土结构的计算与应用.中国建筑工业出版社，2010，09.

[2]钟善桐.钢管混凝土结构.黑龙江科学技术出版社，2012，11.

[3]李玉国.论高层建筑结构设计的具体方法和措施探讨[J].中国建筑.2011.5