對建筑結構設計相關問題探討

楊松　楊國靖

【摘 要】 本文先通過對高層建筑的特點開始分析，然后對其結構體系設計相關的基本要求進行了闡述，最后還提出了一些對高層建筑結構設計的建議。

【關鍵詞】 載荷；結構；高層建筑；設計；抗震

1、高層建筑特點

1.1 在建筑面積和建設場地面積相同的比值情況下，建造高層建筑比多層建筑能夠提供更多的空閑地面，將這些空閑地面用作綠化與休息場地，這樣可以有利于美化環境，并帶來更充足的采光、日照與通風效果。比如在新加坡一個新建的居住區中，因為建造了高層建筑群，所以留下了更多地面空間，可以更好地建設城市綠化與人們休閑活動空間。

1.2 高層建筑中的豎向交通大部分是由電梯來完成，這樣就會增加建筑物的造價，如果從建筑防火的角度來看，高層筑的防火要求要高于中低層建筑，也會增加高層建筑的工程造價和運行成本。

1.3 在相同的建設場地當中，建造高層建筑能獲得更多的建筑面積，這樣可以部分解決城市地價高漲與用地緊張的問題。設計精美的高層建筑還可以為城市增加景觀，如上海的金茂大廈與馬來西亞首都的石油大廈等。但高層建筑太多、太密集也會對城市帶來熱島效應，玻璃幕墻過多的高層建筑群還可能造成光污染現象。

2、高層建筑結構體系的特點

隨著高度與層數的增加，水平作用對高層建筑結構安全的控制作用更加顯著，包括地震作用和風荷載。高層建筑的抗側剛度、承載能力、材料用量、抗震性能與造價高低，與其所采用的結構體系密切相關。不同的結構體系，適用于不同的高度、層數和功能。

2.1 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。

2.2 剪力墻結構體系。利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結構，稱為剪力墻結構體系。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：主要是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。

當剪力墻的高寬比較大時，是一個受彎為主的懸臂墻，側向變形是彎曲型，即層間側移隨著層數的增加而增大。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。

在承受水平力作用時，剪力墻相當于一根下部嵌固的懸臂深梁。剪力墻的水平位移由彎曲變形和剪切變形兩部分組成。高層建筑剪力墻結構，以彎曲變形為主，其位移曲線呈彎曲形，特點是結構層間位移隨樓層增高而增加。

根據施工方法的不同，可以分為：全部用預制墻板裝配而成的剪力墻；全部現澆的剪力墻；內墻現澆、外墻為預制裝配的剪力墻。

2.3 框架剪力墻結構體系。在框架結構中設置部分剪力墻，使剪力墻與框架兩者結合起來；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，又可以稱之為框架—筒體結構體系。

框架—剪力墻結構比框架結構的剛度與承載能力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因此，也就減小了非結構構件（隔墻及外墻）的損壞，這樣無論在地震區還是非地震區，這種結構型式都可以用來建造較高的高層建筑，當前，這種結構型式在我國得到廣泛的應用。

2.4 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（超級框架）或者是巨型衍架桿件（超級衍架），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。

不同的結構體系所具有的強度與剛度都是不一樣的，所以，它們所適合應用的高度自然也就不同。一般所說，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、高層建筑結構設計的基本要求

3.1 結構的規則性

（1）不應該采用嚴重不規則的結構體系。建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規則的設計方案。高層建筑不應采用嚴重不規則的結構體系，應符合下列要求：

1）應該杜絕因為部分的結構或者是構件的破壞而造成整個結構喪失承受重力荷載、地震和風荷載作用的能力；

2）對可能出現的薄弱環節，應該采取有效地措施予以加強。

3）應該具有一定的承載能力、剛度和變形能力；

（2）高層建筑的結構體系尚宜符合下列要求：

1）應該具有多道的抗震防線。

2）水平布置與結構的豎向都應該具有合理的剛度和承載力分布，這樣可以避免因局部突變與扭轉效應而形成薄弱部位；

3.2 規則結構的主要特征。

建筑及其抗側力結構的平面布置應該對稱，規則、并且還應該具有良好的整體性，結構的側向剛度宜均勻變化，建筑的立面與豎向剖面宜規則豎向抗側力構件的截面尺寸與材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側力結構的側向剛度與承載力的突變。

日常所說的規則結構就是指：結構平面布置對稱、均勻并且具有較好的抗扭剛度；體型（平面和立面）規則；結構豎向布置均勻，結構的承載力、剛度和質量分布均勻，也沒有突變。

3.3 規則平面布置需滿足的要求。

結構平面布置一定要考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，傳力直接，受力明確，力爭均勻對稱，減少扭轉的影響。在地震作用下，建筑平面要力求簡單規則，風力作用下則可適當放寬。抗震設防的高層建筑，平面形狀宜對稱、簡單、規則，以減少震害。

在那些每一個高層建筑的獨立結構單元內，應該把結構平面形狀簡單、規則，剛度和承載力分布均勻。不應該采用嚴重的不規則的平面布置。同時抗震設計的B級高度鋼筋混凝土高層建筑、混合結構高層建筑，他的平面布置也應該是規則、和簡單，這樣有助于減少偏心。

4、高層建筑結構設計

在許多高層建筑當中，豎向荷載對結構設計會產生很重要的影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重與樓面使用荷載在豎向構件中所導致的彎矩與軸力的數值，僅僅和建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比；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。對一些較柔的高層建筑，風荷載是結構設計的控制因素，隨著建筑物高度的增高，風荷載的影響越來越大。高層建筑中除了地震作用的水平力以外，主要的側向荷載是風荷載，在荷載組合時往往起控制作用。因此，高層建筑在風荷載作用下的結構分析與設計引起了研究人員和工程師們的重視。

建筑的重量和地震效應是成正比，減輕房屋的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。

結語

因為高層建筑的體形比較高大，那么高層建筑就存在很多的問題，像高技術、高難度、高風險等都需要大量的技術工作人員去解決。加強高層建筑結構設計，提高對高層建筑結構設計的要求，可以避免許多安全事故的發生。

參考文獻

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