城市高層建筑結構設計特點及相關問題研究

[摘要]建筑類型與功能越來越復雜，高層建筑的數量日漸增多，高層建筑的結構體系也是越來越多樣化，高層建筑結構設計也越來越成為高層建筑結構工程設計工作的難點與重點。面對如此形勢，應該把高層建筑的結構設計放在首位加以研究。

[關鍵詞]城市高層；建筑結構；設計

隨著時代的發展，世界人口迅速增多，文明建設水平突飛猛進，既可以節約城市用地面積，又能夠減少市政投資，還在某種程度上加速了城市化建設的高層建筑已被廣泛采納與應用。然而，高層建筑遠非僅僅加高建筑層數那么簡單，通過2008年發生于四川汶川的8級5.12大地震進一步為人們敲響警鐘，有必要深入研究包括高層建筑在內的建筑結構設計，將質量安全置于建筑的首位。

一、高層建筑結構設計特點

水平荷載成為決定因素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對某一定高度樓房來說，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，其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化，軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整；另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。側移成為控制指標。與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。結構延性是重要設計指標。相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。

二、高層建筑結構體系的特點

（1）框架結構體系。框架結構體系一般用于鋼結構和鋼筋混凝土結構中，由梁和柱通過節點構成承載結構，框架形成可靈活布置的建筑空間，具有較大的室內空間，使用較方便。由于框架梁柱截面較小，抗震性能較差，剛度較低，建筑高度受到限制；剪切型變形，即層間側移隨著層數的增加而減小；框架結構主要用于不考慮抗震設防，層數較少的高層建筑中，在考慮抗震設防要求的建筑中應用不多；高度一般控制在70m以下。（2）巨型結構。巨型結構一般由兩級結構組成，第一級結構超越樓層劃分，形成跨若干樓層的巨梁、巨柱或巨型衍架桿件，以這巨型結構來承受水平力和豎向荷載，樓面作為第二級結構，只承受豎向荷載并將荷載所產生的內力傳遞到第一級結構上。常見的巨型結構有巨型框架結構和巨型桁架結構，不同的結構體系所具有的強度和剛度是不一樣的，因而它們適合應用的高度也不同。一般說來，框架結構適用于高度低，層數少，設防烈度低的情況；框架—剪力墻結構和剪力墻結構可以滿足大多數建筑物的高度要求；在層數很多或設防烈度要求很高時，可用筒體結構。（3）剪力墻結構體系。剪力墻結構體系于鋼筋混凝土結構中，由墻體承受全部水平作用和豎向荷載現澆鋼筋混凝土剪力墻結構的整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側向變形小，承載力要求也容易滿足；剪力墻結構體系主要缺點：剪力墻間距不能太大，平面布置不靈活，不能滿足公共建筑的使用要求。此外，結構自重往往也較大。剪力墻結構在住宅及旅館建筑中得到廣泛應用，因此這種剪力墻結構適合于建造較高的高層建筑。（4）框架—剪力墻結構（框架－筒體結構）體系。在框架結構中設置部分剪力墻，使框架和剪力墻兩者結合起來，取長補短，共同抵抗水平荷載，就組成了框架—剪力墻結構體系。如果把剪力墻布置成筒體，又可稱為框架—筒體結構體系。框架—剪力墻(筒體)結構比框架結構的剛度和承載能力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結構構件(隔墻及外墻)的損壞，這樣無論在非地震區還是地震區，這種結構型式都可用來建造較高的高層建筑，目前在我國得到廣泛的應用。

三、高層建筑的結構設計原則

（1）結構平面的設計與布置。平面形狀簡單、規則、對稱盡量使質心和鋼心重合。偏心大的結構扭轉效應大，會加大端部構件的位移，導致應力集中。平面突出部分不宜過長。扭轉是否過大，可用概念設計方法近似計算鋼心、質心及偏心距后進行判斷，還可以比較結構最遠邊緣處的最大層間變形和質心處的層間變形，其比值超過1.1者，可以認為扭轉太大而結構不規則。高層建筑不應采用嚴重不規則的結構布置，當由于使用功能與建筑的要求，結構平面布置嚴重不規則時，將其分割成若干比較簡單、規則的獨立結構單元。對于地震區的抗震建筑，簡單、規則、對稱的原則尤為重要。（2）結構立體的設計與布置。結構豎向布置最基本的原則是規則、均勻。規則，主要是指體型規則，若有變化，亦應是有規則的漸變。體型沿豎向的劇變將使地震時某些變形特別集中，常常在該樓層因過大的變形而引起倒塌。均勻是指上下體型、剛度、承載力及質量分布均勻，以及它們的變化均勻。結構宜設計成剛度下大上小，自下而上逐漸減小。下層剛度小，將使變形集中在下部，形成薄弱層，嚴重的會引起建筑的全面倒塌。如果體型尺寸有變化，也應下大上小逐漸變化，不應發生過大的突變。上下樓層收進使得體型較小的情況經常發生，對于收進的尺寸應當限制。（3）建筑基礎的設計與布置。高層建筑的上層結構載荷很大，基礎底面壓力也很大，應采用整體性好、能滿足地基的承載力和建筑物容許變形要求并能調節不均勻沉降的基礎形式。根據上部結構類型、層數、載荷及地基承載力，可以用筏型基礎或箱型基礎；當地基承載力或變形不能滿足設計要求時，可以采用樁基或復合地基。筏型基礎一般有兩種做法：倒肋形樓蓋式和倒無梁樓蓋式倒肋形樓蓋的筏基，板的折算厚度較小，用料較省，剛度較好，但施工比較麻煩，模板較費。如果采用板底架梁的方案有利于地下室空間的利用，但地基開鑿施工麻煩，而且破壞了地基的連續性，擾動了地基土，會降低地基承載力；采用倒無梁樓蓋式的筏基，板厚較大，用料較多，剛度也較差，但施工較為方便，且有利于地下空間的利用。當地基極軟且沉降不均勻十分嚴重時，采用筏形基礎，其剛度會顯得不足，在這種情況下采用箱型基礎就較為合理。箱型基礎剛度大、整體性好、傳力均勻；能適應局部不均勻沉降較大的地基，有效地調整基地反力。在淺層地基承載力比較軟弱，而堅實土層距離地面又較深的時候，采用其他類型的基礎就不能滿足承載力或變形控制的要求。這時應當考慮采用樁基礎。樁承臺的作用是將上部荷載傳給樁，并使樁群連成整體，而樁又將荷載傳至較深的土層中區。樁距應盡可能的大，在充分發揮單樁承載力的同時，還能發揮承臺土的反力作用，以取得最佳效果。

隨著社會經濟的迅速發展和建筑功能的多樣化，城市人口的不斷增多及建設用地日趨緊張和城市規劃的需要，促使高層建筑得以快速發展。另一方面由于輕質高強材料的開發及新的設計計算理論的發展，抗風和抗震理論的不斷完善，加之新的施工技術和設備的不斷涌現，特別是計算機的普及和應用以及結構分析手段的不斷提高，為迅速發展高層建筑提供了必要的技術條件。

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