淺析高層建筑結構選型

【摘 要】傳統的結構設計是設計者根據設計要求，按本人的實踐經驗，參考類似的工程設計，確定結構方案，然后進行強度、剛度等各方面的計算，人們以過大的注意力集中于結構的力學分析、結構的設計和施工，而忽視了設計前階段的許多更為重要的問題。根據高層建筑結構的受力特點，對高層建筑結構在概念階段的設計是非常重要的。

【關鍵詞】高層建筑;結構選型;設計

高層建筑是為了滿足日益緊張的城市建設用地而出現的建筑結構形式，它的出現大大緩解了城市建設用地，更大程度的利用了空間，如今在城市化建設中的比例進一步擴大。相對多層建筑而言，高層建筑結構設計所占的地位要重要得多，這是由于高層結構形式的選擇將直接關系到建筑物的平面、立面、層高、設備安裝、施工技術以及工程造價等多方面因素。不當的結構形式不僅會影響使用功能和造價，嚴重的還會影響其抗震性能，危害建筑物安全。

1.高層建筑結構體系類型

1.1框架體系

框架體系是由豎向構件與水平構件通過節點連接而成，既承擔豎向荷載，又承擔水平荷載?？蚣荏w系建筑平面布置靈活，可以提供較大的建筑空間，也可以構成豐富多變的立面造型。但是其抗側能力較弱，建筑高度不易過高。在水平荷載作用下，其內力分布特點是底層柱軸力、剪力、彎矩最大，由下往上減小，其變形規律是雖然柱的軸力引起的側移隨高度遞增，但由于框架結構的高度限制，仍以剪切型變形為主，底層之間變形最大，向上遞減。

1.2 框架一剪力墻體系

當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架一剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平荷載?？蚣芤患袅w系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設置，增大了結構的側向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架一剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

1.3剪力墻體系

當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結構，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結構體系，能建高度大于框架或框架一剪力墻體系。

1.4筒體體系

凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系，包括單筒體、筒體一架、筒中筒、多束筒等多種型式。筒體是一種空間受力構件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結構單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。筒體體系具有很大的剛度和強度，各構件受力比較合理，抗風、抗震能力很強，往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑[1]。

2.結構選型

2.1建筑材料的選用

由于抵抗水平力是高樓結構的主要目標，因此的抗側力體系便成為高層結構體系的重要組成部分，抗側力能力的強弱，則是衡量結構體系是否經濟有效的尺度。在高樓單位建筑面積的結構材料用量中，用于承擔重力荷載的結構材料用量，與房屋層數成線性比例增加。其中，用于樓蓋結構的材料用量大體是定值，幾乎與結構層數無關；用于墻、柱等豎向承重構件的材料用量，則隨房屋的層數成比例增長；而用于抵抗側力的結構材料數量，則按房屋層數二次方的關系曲線急劇增長。所選定的抗側力體系是否經濟有效，對于結構材料的用量影響很大，綜合各方面條件經過精心設計所確定的最優抗側力體系，將使結構材料用量得以大幅度下降。因此，高層建筑結構的優化設計對節約結構造價的重要性。

2.2 結構體系要滿足建筑內部空間要求

高層建筑使用功能不同，建筑平面布置也就隨之一變化。一般情況下，小空間平面布置方案，僅適用于住宅以及旅館的客房部；辦公樓要求大小空間兼有；餐廳、商場、展覽廳及工業廠房，則要求大空間的平面布置方案；舞廳和宴會廳，更要求內部無柱的大空間。在結構方案設計階段，應首先考慮建筑使用功能對內部空間的需求，再結合其它條件綜合考慮，確定一種既實用又經濟、有效的結構體系。采用框架結構的建筑平面布置靈活，可實現大的內部空間； 剪力墻結構建筑平面布置受限制，只能實現小空間； 框一墻結構體系建筑平面布置比較靈活，可實現較大的內部使用空間； 框一筒體系建筑平面布置靈活，可產生大的內部使用空間；且建筑采光通風均較好；筒中筒體系建筑平面布置比較靈活，可有較大的內部使用空間；框筒束體系建筑平面布置受限于密排柱網，但仍可產生大的內部使用空間[2]。

2.3 結構體系選定的原則

位于地震區的高層建筑，在確定結構體系時，除了要考慮材料用量、建筑內部空間和房屋適用高度等因素外，還需考慮抗震效果: 具有明確的計算簡圖和合理的地震力傳遞路線； 具備多道抗震防線，不會因部分結構或構件失效，而導致整個體系喪失抗側力或承受重力荷載的能力； 具有必要的承載力、良好的延性和較多的耗能潛力，從而使結構體系遭遇地震時具有足夠的防倒塌能力； 沿水平和豎向，結構的剛度和強度分布均勻，或按需要合理分布，避免出現局部削弱或突變，防止地震時出現過大的應力集中或塑性變形集中。總之，在確定建筑方案的同時，應綜合考慮房屋的設防烈度、場地類別、房屋高度、地基基礎，以及施工條件等，并結合結構體系的經濟、技術指標，選擇最合適的結構體系。

3.高層建筑結構設計考慮的重點

3.1 水平荷載是結構設計的主要因素

在多層房屋的結構設計中，由結構自重產生的重力決定著結構設計，而在高層建筑中，水平荷載卻起著決定性作用。其原因是由于樓房自重產生的載荷在構件中引起的內力僅與建筑物高度的一次方成正比，而根據力學原理，由水平荷載對結構產生的傾覆力矩在構件中引起的軸力，則與樓房高度的兩次方成正比。水平荷載主要包括風荷載和地震作用，其大小與結構的動力特性有關，是高層結構設計的重點。

3.2 結構側移是高層結構設計中的關鍵指標

水平荷載作用下結構的側向位移隨著建筑物高度的增加而迅速增大，與建筑高度的4次方成正比，并且由于新材料及新的建筑形式的應用，其側向位移也迅速增大。如果側向位移控制不好，輕則使居住人員有著不安全的感或使填充墻等建筑裝飾開裂，重則導致房屋側塌，影響結構安全。

3.3 結構設計中非常注重抗震性能

小震不壞、大震不倒是高層建筑抗震設計的基本要求。高層建筑結構的抗震設計，除了要考慮常規設計中的豎向荷載、風荷載外，還必須考慮地震載荷，使結構具有良好的抗震性能[3]。

【參考文獻】

［１］沈芳.高層建筑結構設計中應注意的幾個問題[J].科技資訊，2007，21.

［２］賈鴻林.高層建筑結構設計探究[J].中國高新技術企業，2008，1.

［３］李濟南.淺談高層建筑結構設計[J].江西建材，2006，4.