淺談高層建筑結構設計分析

孟艷松

摘要：為了滿足現代城市人口急速增長和人類物質生活的需要，追求新的建筑結構形式，進一步發展高層建筑，本文對高層建筑結構受力特點，結構布置和設計中應注意的一些問題和特點作簡要分析。

關建詞：高層建筑；結構設計；受力特點；設計分析。

隨著現代社會經濟的不斷發展，人民生活質量水平不斷提高，人類的居住環境、居住條件和居住需求也在不斷的變化，在國家對土地使用制度控制越來越嚴格，建筑用地更是越來越稀薄。建筑物越來越朝著超高層建筑的方向發展，鋼筋混凝土結構已經不能滿足建筑效益、建筑結構、建設設計和某些特殊功能要求的需要。鋼結構因為重量輕、強度高、塑性韌性好、制作簡便，施工工期短而被廣泛的應用于高層建筑上，現在的高層建筑結構也越來越向鋼結構化方面發展。

1、高層建筑結構的受力特點

建筑結構所受的外力（作用）主要來自垂直方向和水平方向。在低、多層建筑中，由于結構層數少、平面尺寸較大，其高寬比很小，且結構受風荷載和地震影響也很小，故結構以抵抗豎向荷載為主。也就是說，豎向荷載往往是結構設計的主要控制因素。

在高層建筑中，首先，在豎向荷載作用下，各樓層豎向荷載所產生的框架柱軸力為：邊柱N=wlH/2h，中柱N=wlH/h,即框架柱的軸力和建筑結構的層數成正比；邊柱軸力比中柱小，基本上與其受荷面積成正比。就是說，由各樓層豎向荷載所產生的累積效應很大，建筑物層數越多，底層柱軸力越大；頂、底層柱軸力差異越大；中柱、邊柱軸力差異也越大。

其次，在水平荷載作用下，作為整體受力分析，如果將高層建筑結構簡化為一根豎向懸臂梁，那么由其底部產生的傾復彎矩為：水平均布荷載Mmax=qH2/2，倒三角形水平荷載Mmax=Oh3/3，即結構底部產生的傾復彎矩與樓層總高度的平方成正比。就是說，建筑結構的高度越大，由水平作用對結構產生的彎矩就越大，較豎向荷載對結構所產生的累積效應增加越快，其產生的結構內力占總結構內力的比重越大，從而成為高層結構強度設計的主要控制因素。

高層建筑結構的主要受力構件有剪力墻、框架柱、梁和樓板。剪力墻、框架柱足豎向構件，它們是形成結構抗側力剛度的最主要構件，承擔著整個結構的豎向荷載和絕大部分水平荷載；框架梁、樓板是水平構件，結構各樓層的豎向荷載通過樓板傳至框架梁再傳給豎向構件，同時，對結構抗側力剛度也有貢獻頗的框架梁．還和豎向構件一起承擔整個結構的荷載水平荷載；次外，有些高層建筑結構還有斜向構件，它們對結構抗側力剛度貢獻很大，對構件之間的傳力起著重要作用，除自重外，一般不直接受荷。

結構在水平陣風作用下，當振動加速度a超過0.015G時會使人的正常生活受影響，因為加速度α=A（2πf），當頻率f為定值時，α與振幅A成正比，因此結構的側移幅值的大小要受限制。過大的側移易使隔墻、圍護結構以及高級裝修受損，地震或陣風引起的過大變形也會造成電梯軌道無法使用。結構過大的變形會引起結構的二階效應，造成結構桿件產生附加內力，影響結構承載力。如果高層建筑采用的是鋼結構，和普通的鋼筋混凝土結構相比鋼結構自身具有很強的變形能力，且在鋼結構中采用的隔墻、裝飾材料又多為較輕，采用的幕墻、懸掛板、鋁板等變形能力較強，所以鋼結構JGJ99-98標準中規定的限值標準要比鋼筋混凝土結構規定的限制標準寬松。

2、高層建筑鋼結構設計分析

高層建筑鋼結構設計中，結構工程師應與建筑師緊密配合，要考慮建筑特點、功能、荷載性質、材料供應、制作安裝等多種因素，擇優選取利于抗震、抗風又經濟合理的結構體系和平立面布置。常用的高層建筑鋼結構體系有框架體系，雙重抗側體系（鋼框架一支撐或剪力墻板體系、鋼框架一混凝土剪力墻體系、鋼管混凝土框架一剪力墻體系、鋼框架一混凝土核心簡體系）、簡體體系（框簡體系、簡中簡體系、桁架簡體系、框筒束體系）和巨型框架體系。

無論采用什么結構體系，具體設計中都應使結構具有明確的計算簡圖、合理的傳力途徑、多道抗震防線，力求形成立體構件或盡量使結構能趨向于實現總體屈服機制。結構布置和設計中應盡量使結構具有以下幾方面的特點，或注意考慮到以下一些原則。

1、使結構構件能形成立體化，在豎向構件布置時，盡量使由墻或密柱與深梁能組成簡體或巨型柱，使結構單元形成不同力學特性的立體構件，構成在任何方向都具有較大的剛度與抵抗力矩的能力。

2、使柱或巨型柱周邊布置，將柱沿平面周邊設置使結構整體具有更大的抗側和抗扭剛度。

3、使結構支撐化。在框筒結構體系中由于水平力作用下存在固有的剪力滯后效應，當功能需要加大柱間距時剪力滯后效應更易削弱結構的抗側剛度，影響水平承載力，因此在框筒中增設支撐能強化框筒；當房屋四角有巨柱采用支撐使其形成立體支撐體系更有利于抵抗各向力，發揮其材料潛力。

4、園錐形能減小風載體型系數和增大抗側抗扭剛度，特別在非地震區南風荷載起控制作用的高層建筑，采用園錐體型能節約材料經濟性好。

5、選用高強、輕質材料，有條件時設置安裝傳感器、質量驅動裝置等減振設置使其動力反應智能化。

6、應積極探討將目前的整體結構分析、單個構件設計向整體結構分析、整體結構構件設計方向發展考慮，使各構件的承載力可靠度盡量一致。

7、用增大結構阻尼方法以減小結構加速度；用合理的幾何平、剖面圖形合理的墻板及構件連接方法來減小側向位移，而不要隨意采用加大柱截面的方法來提高抗側抗彎剛度。實踐證明外柱布置遠離平面重心或芯筒，或使外柱沿建筑物全高向內全高度傾斜等方法均能有效地減小側向位移值，用增加主梁的線剛度EI/L在框架中也能起到減少側向位移的作用；而采用加大柱截面的方法來提高框架抗側剛度其效果將很小且不經濟。一般框架剛度通常取決于大梁剛度而不是柱的剛度，因為一般跨度和層高的建筑中柱的剛度比梁剛度已大很多。

8、在結構的平面與剖面設計中應盡量避免出現不規則體型。建筑的開間進深應盡量統一，框筒、墻、支撐的布置盡量對稱。常用的框筒結構中為充分發揮框筒作用應嚴格控制房屋的高寬比，且內筒邊長不宜小于相應外筒邊長的1/3，框簡柱跨不宜大于層高，框筒裙梁高度不宜小于800mm，框筒結構為矩形平面時其長寬比不宜大于1.5:1，否則應改用框簡束體系。筒的墻面開洞面積宜小于50%墻面積，內外簡之問的間距一般可取l0-16m，為了保證角柱具有足夠的承載力，角柱宜為中心柱截面積的1.5 -2倍。一般還應該根據具體情況選用支撐，型鋼混凝土墻板、豎縫鋼筋混凝土墻板或鋼板剪力墻等作為主要抗側構件。注意應使支撐、剪力墻能沿高度豎向一致連續布置。邊柱外柱應盡量使其參與結構整體抗彎以增加整個結構的抗側剛度和承載力，在抗震設計中應注意使結構形式強節點弱桿件、強豎弱平、強壓弱拉。柱的超載必須避免，屈服應控制在梁和支撐上，要多道傳力途徑，多道設防，適當增多結構的超靜定次數。要避免水平剛度產生偏心和豎向剛度、強度的突變。節點連接應剛強，

3、在地震作用下建筑結構設計

地震時，由于地震波的作用產生地面運動，通過房屋基礎影響上部結構，使結構產生振動，房屋振動時產生的慣性力就是地震荷載。地震波可能使房屋產生垂直振動與水平振動，但一般對房屋的破壞主要是由水平振動引起，因此，設計中主要考慮水平地震力。

地震荷載是慣性力，因此它的大小除了和結構的質量有關外，還和結構的運動狀態有關，通常把結構的運動狀態（各質點的位移、速度、加速度）稱為地震反應。地面運動情況可以由地面加速度波形來描述，不同的地震、不同的場地、不同的震中距都會產生不同的地面運動。據觀測，在巖石等堅硬地基中，地震波的卓越周期大約是0.1—0.3秒左右，而在深層軟土地基中，其卓越周期可能達到1.5—2秒。這樣的周期與一般的建筑物周期(0.3-3秒)相當接近，因而一般建筑物的地震反應比較明顯，在達到一定震動強度時，很容易引起震害。一般情況下，結構較柔，周期加長時，地震力減小。高層建筑具有較長的自振周期，容易跟地震波中的長周期分量發生共振。且地震波在土中傳播時，短周期分量衰減迅速，長周期分量則傳播較遠。大量震害表明：與低層建筑相比，高層建筑受地震影響的范圍更廣一些，振害后果也更嚴重一些，特別在軟土地基上，更是如此。所以較確切地估計高層建筑的地震作用，是十分必要的。

4、結語

高層建筑結構設計中應根據實際情況做好結構分析，多做方案比較，建筑設計者必須從當今經濟現狀和發展趨勢出發，建立一個合理的結構設計理念，合理確定建筑設計標準、經濟性措施和原則，這樣不僅滿足設計各類需求，同時改善人類的居住環境。