高層建筑結構設計中關鍵技術問題分析與研究

宋可加

西南交通大學土木工程學院，四川成都 610000

0 引言

隨著社會經濟不斷發展，城市化進程不斷加快以及對高層、超高層建筑的結構體系的研究日益完善，使得高層、超高層建筑得迅猛發展。

1885年美國芝加哥土木工程師詹尼，設計并建造了共10層、高55m的芝加哥國內保險公司大樓，開啟了高層建筑修建之先河，隨后高層、超高層建筑在世界各國增長迅速，其中許多高層建筑已成為城市標志，如紐約帝國大廈（1931年，高381m，102層）、芝加哥西爾斯大廈（1974年，高443m，110層)、臺北101大樓（2003年，高508m，101層）。目前，我國正處于高層建筑迅速發展時期，建造數量與日俱增，建筑高度記錄不斷被更新，其中以上海的環球金融中心、金茂大廈，廣州的中信廣場等最具代表性。高層建筑的出現，不僅改變了城市的建筑格局和人們的居住模式，還在一定程度上反映出科學技術與社會經濟發展的水平。

1 常用高層建筑結構體系受力特點分析比較

1.1 框架結構

框架結構體系它是由基礎、樓板、柱、梁這4種承重構件所組成的。基礎、柱和梁一起構成平面框架是主要的承重結構。框架結構建筑平面布置靈活，可形成較大的建筑空間，建筑立面處理也較方便；整體性、抗震性能好，具有較好的塑性變形能力。

但是，框架結構側向剛度小，當層數過多時，會產生過大的側移，從而差限制了框架結構的建造高度。

1.2 框架一剪力墻結構

高層建筑結構設計中通常采用的是框架一剪力墻結構體系，即把框架和剪力墻兩種結構共同組合在一起形成的結構體系，豎向荷載由框架和剪力墻等豎向承重單體共同承擔，水平荷載則主要由剪力墻這一具有較大剛度的抗側力單元來承擔。剪力墻的設置，大幅增加了高層建筑結構的抗側力剛度，使其水平側向位移大幅減小；同時，框架-剪力墻結構的協同工作使各層層間變形趨于均勻，所以框架一剪力墻結構體系的建筑能建高度要顯著高于框架結構。

1.3 剪力墻結構

由墻體承受全部水平作用和豎向荷載的結構體系稱為剪力墻結構體系。剪力墻結構體系屬于明顯的剛性結構，且傳力均勻、直接。其結構的強度和剛度都相對較高，但同時也具有一定的延性。結構在臺風、地震作用等水平大荷載作用下，結構的側向位移能有效控制，具有良好的結構整體性能，抗倒塌能力強，其能建高度大幅高于框架或框架一剪力墻結構體系。

1.4 筒體結構

筒體結構體系由筒體為主的結構稱為筒體結構。筒體結構體系的高層建筑結構具有非常大的強度和剛度，結構體系中各構件的受力分配合理，抗風、抗震性能相對框架一剪力墻結構、剪力墻結構更強，往往應用于大空間、大跨度要求的高層、超高層建筑結構設計中。

2 高層建筑結構設計關鍵技術分析

2.1 水平荷載相對于豎向荷載顯得更為重要

結構需同時承受豎向和水平荷載，低層結構以抵抗重力為代表的豎向荷載為主，而水平荷載所產生的內力、側向位移很小。對高層結構來說，隨著建筑高度的增加，水平荷載隨建筑高度的增高迅速增大。如把建筑物視作一簡單的豎向懸臂構件，構件中由豎向荷載產生的軸力與高度（H）成正比；水平作用產生的彎矩與高度（H）的平方成正比；水平作用產生的側向位移則與高度（H）的四次方成正比。對某一高度確定的建筑，結構豎向荷載的大小基本穩定，而水平方向上風載和地震作用的數值大小往往會隨高層建筑結構的動力特性不同而存在較大幅度的變化。可見，水平荷載對高層建筑結構的影響大，側向位移成為結構設計的主要控制目標之一。

2.2 控制結構側移是關鍵因素

與低層建筑結構的設計不同，高層建筑結構的側移是其結構設計過程中的關鍵決定性因素。隨著建筑高度的不斷增加，水平側向荷載下的結構側移變形會快速增大。側向位移過大將使結構產生附加內力，特別是對豎向構件，附加偏心力超過一定限值時，將會引起整個結構的倒塌破壞；同時，在風荷載作用下，如果側向位移過大，將會引起居住者工作者的不適，在地震作用下，如果側向位移過大，更會讓人感到不安和驚慌。

2.3 結構軸向變形的影響顯著

對于高層建筑結構，由于層數多、高度高，軸力很大，從而沿高度逐漸積累的軸 向變形很顯著高層建筑結構中，一般豎向荷載的數值較大，在柱中會引起較大范圍的軸向壓縮變形，對結構體系中的連續梁彎矩大小產生顯著影響。高層建筑的軸向變形的差異會達到一個比較大的數值，從而引起跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大，連續梁中間支座處的負彎矩值減小。

2.4 結構延性的重要性

高層建筑相對于低層或是多層建筑來說結構更柔一些，受到地震的影響后，結構變化更大一些。所以采取恰當的措施保證結構具有足夠的延性，使結構在塑性變形階段仍然具有較強的變形能力。

3 高層建筑結構分析方法簡介

3.1 計算分析基本假定

高層建筑結構要完全精確地分析三維空間結構是十分困難的。需要通過各種分析方法對計算模型進行不同程度的簡化。以下是一些常見的假定：

1）彈性假定

目前實用的高層建筑結構分析方法都是使用的彈性計算方法。這一假定符合建筑結構的工作狀況，因為在一般風力作用下，建筑結構一般都處于彈性工作階段。

2）小變形假定

小變形假定也是各種高層建筑結構實用分析方法中普遍采用的基本假定。對幾何非線性問題的研究認為∶當頂點水平位移與建筑物高度的比值大于1/500的時候，就必須重視幾何非線性問題的影響。

3）剛性樓板假定

剛性樓板假定在對高層建筑結構進行分析的時候，一般假定樓板自身平面內的剛度是無限大的，平面外的剛度則為零。這就簡化了計算方法，減少了結構位移的自由度。

3.2 高層建筑結構受力分析方法

1）框架一剪力墻結構的高層建筑內力與位移的計算分析，大都采用連梁連續化假定。可由框架結構與剪力墻水平位移或轉角相等的位移協調條件，建立位移與外荷載之間關系的微分方程進行求解。

2）剪力墻結構的受力特性與變形主要取決于墻體的開洞情況。單片剪力墻按其受力特性的不同，可分為單肢墻、小開口整體墻、聯肢墻等各種類型，不同類型的剪力墻結構其截面應力分布的規律也不相同，計算結構內力與變形位移時需采用相對應的計算方法。

3）按照對計算模型處理的手法不同，筒體結構的實用分析方法通常可分為：等效連續化法、等效離散化法和三維空間分析法。等效連續化方法的具體應用包括有連續化微分方程求解法、有限單元法、能量法等；等效離散化方法則包括等代角柱法、核心筒的框架分析法等；相對于等效連續化方法和等效離散化方法的筒體結構計算模型，完全按三維空間結構建立計算模型來分析筒體結構體系的受力性能更為精確。三維空間分析法將高層筒體建筑結構體系看作是由若干個空間梁單元、空間柱單元和薄壁柱單元組合而成的空間桿系結構體系進行計算分析，更符合受力結構體系的實際工作狀態。

4 結論

由于城市人口密度大，用地緊張，高層建筑依然是未來的趨勢，建筑的體型將更加復雜多樣。追求更具創新性的結構形式，建立更加合理的力學模型也是土木工作者努力的目標和方向。

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