高層建筑結構設計探討

摘 要：在高層建筑結構工程設計中，設計人員往往忙于應付大量的具體工作，不夠重視結構經濟性問題，導致同一工程經不同人員設計，工程造價差別極大，浪費現象嚴重。如今我國的房地產業正在經歷著蓬勃的發展、房價高啟的關鍵時刻，通過對高層住宅的結構優化設計進行探討，降低高層建筑的造價成本，有著非常重要的現實意義。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；結構選型；結構體系

前言

高層建筑通常以建筑的高度和層數兩個指標來判定，但世界范圍內目前還沒有一個統一的劃分標準。它與各個國家和地區的地理環境、地震強度、建筑技術、電梯的設置標準以及防火的特殊要求等很多因素有關。美國規定高度為22～25m以上或7層以上建筑為高層建筑；日本規定8層以上或高度超過31m的建筑為高層建筑；英國規定高度為24.3m以上的建筑為高層建筑；在我國一般8層以上的房屋就需要設置電梯，對10層以上的房屋就有提出特殊的防火要求的防火規范，因此我國的《民用建筑設計通則》（GB50352-2005）、《高層民用建筑設計防火規范》（GB50045-95）（2005年版）將10層及10層以上的建筑與高度超過24m的公共建筑和綜合性建筑稱為高層建筑。從結構受力性態的角度來看，8層以上的房屋，風和地震等水平荷載或作用顯得越來越重要，甚至起控制作用，因此《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）將10層及10層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其它鋼筋混凝土結構的民用建筑稱為高層建筑。當建筑結構高度超過100m或層數在30層以上的高層建筑，稱為超高層建筑。

1 高層建筑結構特點及類型

1.1 高層建筑結構特點

1.1.1 水平荷載成為設計的決定因素

一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所產生的軸向壓力和彎矩的數值，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，是與樓房高度的二次方成正比；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。

1.1.2 軸向變形的影響在設計中不容忽視

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和露面標高產生影響，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。

1.1.3 側移成為設計的控制指標

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。在水平荷載作用下，若高層建筑結構抵抗側向變形的能力或側向剛度不足，將會產生過大的側向變形，不僅使人產生不安全感，而且會使結構在豎向荷載作用下產生附加內力，會使填充墻、建筑裝修、電梯軌道等服務設施出現裂縫、變形，甚至會導致結構性損傷或裂縫，從而危及結構的正常使用和耐久性。因此設計高層建筑結構時，必須選擇可靠地抗側力結構體系，使結構不僅具有較大的承載力，而且還應具有較大的側向剛度，將水平荷載產生的側向變形限制在規定的范圍內。

1.1.4 結構延性是結構設計的重要指標

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。

1.2 高層建筑結構的類型

高層建筑結構的類型有：

1.2.1 框架結構——由梁柱組成的單元，全部豎向荷載和側向荷載由框架承受，為平面受力體系。

1.2.2 剪力墻結構——用鋼筋混凝土墻承受豎向荷載和抵抗側向力的結構。一般采用現澆鋼筋混凝土，整體性好，承載力及側向剛度大，單一的剪力墻是平面構件，故一般雙向布置。

1.2.3 框架剪力墻結構——由框架和剪力墻共同承受豎向荷載和抗測力。其是一種雙向抗測力結構，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，存在變形不協調。

1.2.4 板柱-剪力墻結構——由鋼筋混凝土無梁樓板和柱組成的結構，但節點抗震性能差。

1.2.5 筒體結構——由豎向筒體承受豎向和水平作用，筒體結構的筒體分剪力墻圍成的薄壁筒和由密柱框架或壁式框架圍成的框筒等。其受力為空間結構，也存在受力不協調，即或多或少的剪力滯后。

1.2.6 框架-核心筒結構——框架-核心筒的周邊框架為平面框架，沒有框筒的空間作用，核心筒為抗測力主體。

2 高層建筑結構分析與設計

2.1 水平荷載成為決定因素

任何一個建筑結構都要同時承受垂直荷載和風荷載產生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。在高層建筑結構設計中，盡管垂直荷載仍然對結構設計產生著重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。隨著高層建筑層數的增多，水平荷載成為結構設計中控制因素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎向構件中產生作用，而水平荷載也對結構產生傾覆作用，并由此產生高層建筑在豎向構件中的作用力；另一方面，對高層建筑來說，豎向荷載和地震作用，也隨建筑結構動力特性而發生大幅度變化。

2.2 側移成為控制指標

與低層建筑不同，結構側移已成為高層建筑結構設計中的關鍵因素。隨著樓層的增加，水平荷載作用下高層結構的側向變形迅速增大。設計高層結構時，不僅要求結構具有足夠的強度，能夠可靠地承受風荷載作用產生的內力；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，確保良好的居住和工作安全。由此可見，高樓的使用功能和安全，與結構側移的大小密切相關。

2.3 結構延性成為重要設計指標

與低層建筑結構相比，高層建筑結構更柔和，在地震作用下的變形度更大。為了確保高層建筑進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，從而避免倒塌，設計人員特別需要在建筑結構設計上采取恰當的措施，來保證高層建筑結構具有足夠的延性。

3 結束語

現代高層建筑結構設計是一項集數學分析、結構設計以及計算機優化設計于一體的綜合性技術工作，同時也是一項創新性很強的實踐活動。隨著高層建筑結構設計理論、計算分析水平、施工技術、材料性能等的不斷提高，高層建筑結構的結構體系也將日趨復雜化和多元化，追求更具創新性和合理性的結構形式，是結構工程師們今后不斷努力的目標和方向。

參考文獻

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