淺談對高層建筑結構設計的幾點認識

摘要：結合本人在實際建筑結構設計中對高層建筑結構的運用、理解和不斷的學習，淺談了高層建筑結構的幾個主要特點，常用的框架結構，剪力墻結構及框架—剪力墻結構三種結構體系的主要特點，以供在高層建筑結構設計中做一參考。

關鍵詞：高層建筑結構設計特點 框架結構 剪力墻結構 框架—剪力墻結構

0 引言

借助我國改革開放以來綜合國力的不斷提高，建筑業有了突飛猛進的發展，已成為當今社會的支柱產業之一。由于我國是人口大國，土地資源寶貴，所以要求高效的利用土地資源。高層建筑因為其有效的解決了土地高效利用問題，加之計算機技術在建筑中廣泛的利用，所以高層建筑在現代建筑結構設計中發展迅速，數量與日劇增；此外隨著我國城市化進程加快，城市人口劇增，地價暴漲，也迫使建筑向高空發展。作為結構設計人員，必須充分了解高層建筑結構設計特點及其結構體系，只有這樣才能使設計達到安全適用、技術先進、經濟合理、確保質量的基本原則。

1 高層建筑結構設計的特點

高層建筑結構設計與低層、多層建筑結構相比較，結構專業在各專業中占有更重要的位置，不同結構體系的選擇，直接關系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、施工技術的要求、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有：

1.1 水平力是設計主要因素

在低層和多層房屋結構中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結構設計產生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與建筑高度的一次方成正比（N=WH）；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比(水平均布荷載：M=1/2qH2，水平倒三角形荷載：M=1/3qH2)，如圖一示。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化。

1.2 側移成為設計的控制指標

與低層或多層建筑不同，結構側移成為高層結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結構的側向變形迅速增大，與建筑高度H的4次方成正比：

此外，高層建筑隨著高度的增加、輕質高強材料的應用、新的建筑形式和結構體系的出現、側向位移的迅速增大，在設計中不僅要求結構具有足夠的強度，還要求具有足夠的抗側剛度，使結構在水平荷載下產生的側移被控制在某一限度之內，否則會產生以下情況：

①因側移產生較大的附加內力，尤其是豎向構件，當側向位移增大時，偏心加劇，因P-△效應而使結構產生的附加內力，甚至破壞；

②使居住人員產生不安全感；

③使填充墻或建筑裝飾開裂或損壞，主體結構出現裂縫或損壞，影響正常使用。

1.3 抗震設計要求更高，延性成為結構設計的重要指標

有抗震設防的高層建筑結構設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結構具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。結構的抗震性能決于其“能量吸收與耗散”能力的大小，即決于結構延性的大小。延性是表示構件和結構屈服后，具有承載能力不降低、具有足夠塑性變形能力的一種性能，通長采用延性系數μ來衡量延性的大小，μ=△u/△y如圖二示。

1.4 減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要

高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意味著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層數，這在軟弱土層有突出的經濟效益。

地震效應與建筑的重量成正比，減輕房屋自重是提高結構抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了，不僅作用于結構上的地震剪力大，還由于重心高地震作用傾覆力矩大，對豎向構件產生很大的附加軸力，從而造成附加彎矩更大。

1.5 軸向變形不容忽視

采用框架體系和框架—剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸壓應力往往大于邊柱的軸壓應力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。據資料介紹Houston（休斯敦）75層的某商業大廈，采用剪力墻和鋼柱混合體系，由于鋼柱負荷面積大，其底層鋼柱壓縮變形比墻多260mm。當房屋很高時，此種軸向變形的差異將會達到較大的數值，其后果相當于連續梁中間支座沉陷，從而使連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大（如圖三所示）。此外，水平荷載作用下，使豎向結構體系一側構件產生軸向壓縮，另一側構件產生軸向拉伸，從而產生整體水平側移。

1.6 概念設計與理論計算同樣重要

抗震設計可以分為抗震計算設計和抗震概念設計兩部分。高層建筑結構的抗震設計計算是在一定的假想條件下進行的，盡管分析手段不斷提高，分析的原則不斷完善，但由于地震作用的復雜性和不確定性，地基土影響的復雜性和結構體系本身的復雜性，可能導致理論分析計算和實際情況相差數倍之多，尤其是當結構進入彈塑性階段之后，會出現構件局部開裂甚至破壞，這時結構已很難用常規的計算原理去進行分析。實踐表明，在設計中把握好高層建筑的概念設計也是很重要的。

2 高層建筑的結構體系

高層建筑結構設計應重視結構選型和構造，擇優選擇抗震及抗風性能好而經濟合理的結構體系與平、立面布置方案，并注意加強構造連接。在抗震設計中，應保證結構整體抗震性能，使整個結構有足夠的承載力、剛度和延性。

目前比較常見的一般高層建筑應用最廣泛的結構體系有：框架結構、剪力墻結構和框架—剪力墻結構。

2.1 框架結構體系。框架結構體系是由樓板、梁、柱及基礎四種承重構件組成，它是高層建筑中常用的結構形式之一。框架結構側移由兩部分組成：梁和柱的彎曲變形產生的側移，側移曲線呈剪切型，自下而上層間位移減小；柱的軸向變形產生的側移，側移曲線彎曲型，自下而上層間位移增大。第一部分是主要的，框架在側向力作用下的側移曲線以剪切型為主。

框架結構體系優點是：建筑平面布置靈活，可以用隔斷墻分隔空間以適應不同使用功能的需求，結構自重輕，計算理論比較成熟，在一定高度范圍內造價較低。

框架結構的缺點是：框架結構本身柔性較大，抗側力能力較差，在風荷載作用下會產生較大的水平位移，在地震荷載作用下，非結構構件破壞比較嚴重。

2.2 剪力墻結構體系。用鋼筋混凝土剪力墻（用于抗震結構時也稱為抗震墻）承受豎向荷載和抵抗側向力的結構稱為剪力墻結構，也稱為抗震墻結構。剪力墻結構采用現澆鋼筋混凝土，墻體沿橫向縱向正交布置或沿多軸線斜交布置，它剛度大，空間整體性好。合理設計的延性剪力墻具有良好的抗震性能。歷史地震中，剪力墻結構的震害一般比較輕。在側向力作用下，剪力墻結構的側向位移曲線呈彎曲型，即層間位移由下至上逐漸增大。

剪力墻結構墻體較多，不容易布置面積較大的房間，平面布置不夠靈活，結構自重大。

2.3 框架—剪力墻結構體系。在框架結構中布置一定數量的剪力墻，可以組成框架—剪力墻結構，這種結構既有框架結構布置靈活、延性好的特點，又有剪力墻結構剛度大，承載力大的特點。框架—剪力墻結構是一種雙重抗側力結構。結構中的剪力墻剛度大，承擔大部分層剪力，框架承擔的側向力相對較小；在罕遇地震作用下，剪力墻連梁往往先屈服，使剪力墻的剛度降低，由剪力墻抵抗的部分層剪力轉移到框架。如果框架具有足夠的承載力和延性抵抗地震作用，那么雙重抗側力結構的優勢可以得到充分的發揮，避免在罕遇地震作用下嚴重破壞甚至倒塌。

在水平力作用下，框架和剪力墻的變形曲線分別呈剪切型和彎曲型，由于樓板的作用，框架和墻的側向位移必須協調。在結構的底部，框架的側移減小；在結構的頂部，剪力墻的側移減小，側移曲線的形狀呈彎剪型，層間位移沿建筑高度比較均勻，改善了框架結構及剪力墻結構的抗震性能，也有利于減少小震作用下非結構構件的破壞。

除以上三種常用的結構體系外，對于高度更高的高層建筑（如超高層建筑）還有其他一些結構形式，如筒體結構，框架—核心筒結構，巨型結構，薄殼、懸索、膜結構、網架等，不過目前應用最廣泛的還是框架、剪力墻、框架—剪力墻三種結構。

參考文獻：

[1]龔思禮主編.建筑抗震設計手冊（第二版）.中國建筑工業出版社，2002.

[2]徐培福，黃小坤主編.高層建筑混凝土結構技術規程理解與應用.北京：中國建筑工業出版社，2003.

[3]方鄂華等編著.高層建筑結構設計.北京：中國建筑工業出版社，2003.

[4]徐培福主編.復雜高層建筑結構設計.北京：中國建筑工業出版社，2005.

作者簡介：

趙國，1983年2月出生，助理工程師，長期從事結構設計工作。

周偉，1982年1月出生，工程師，長期從事結構設計工作。