談高層建筑結構選型及設計要點

楊曉峰

(大同市規劃設計院，山西大同 037006)

0 引言

一般說來，高層建筑在設計時比較重視實際的結構計算設計，但是初期的概念設計并不容忽視，應當引起我們的重視。在高層建筑的結構設計中，擺在結構工程師面前的問題首先就是如何進行結構選型。高層建筑結構的選型通常是有一定的規律可循的。它不但要考慮建筑的安全性、適用性、經濟效益，還要充分考慮對施工安裝可能造成的影響。所以在高層建筑結構設計中合理解決高層建筑結構體系的選型問題是非常重要的。

1 高層建筑結構選型的重要性

高層建筑的結構設計較為復雜，這主要表現在:

1)多元化和綜合功能的發展趨勢導致對高層建筑方案平立面的形狀和內容空間分布的多樣化、復雜化和個性化提出要求。為了能夠增加建筑的凈高，大部分的高層建筑對結構系統的形式要求有所提高，因此高層建筑所存在的一些問題日益凸顯。

2)結構系統具有優化的必要性及可優化的空間并且其所帶來的效益日益明顯。結構的優化，第一就是要將它的形式進行優化，之后是對其布局和構建的參數優化。

3)高層建筑需要考慮的影響因素越來越多，而且越來越復雜。系統結構的復雜，綜合功能與功能的多變要求我們對選型的信息知識需求愈加龐大。而且選型的結果也越來越受人為因素影響。

2 對高層建筑結構選型的思考

綜合性強是選型工作所具有的特性，其中包括很多確定或者不確定的因素，以及受到很多條件和因素的影響。建筑高度與功能的發展需求在不斷發生變化，所以這要求我們除了要考慮工程造價與企業單位的投資能力，還應該要綜合考慮對所選結構形式建筑功能的能源供應、施工條件、建筑材料、建筑工程的適應性等等。

2.1 從總結構體系的角度對建筑進行分析

高層建筑的結構體系一般有:框架結構、框架—剪力墻結構和異型柱框架結構。下面對它們分別進行分析:

1)框架結構:其構件主要包括框架梁、柱和樓板。柱網的布置靈活多樣和方便獲取較大的使用空間是其主要特點。因為其延性相對不錯，所以填充墻一般可以選用輕質的隔墻以減輕建筑結構的自重。造價低的框架應該要進行縱橫雙向的布置，以便最終形成雙向抗側力體系。但是內凸的框架則會影響建筑的使用功能，而且橫向側移的剛度相對較小，導致抗震性能相對較差。地震中的填充墻損壞非常嚴重，所以其修復費用也相當高。其適用高度范圍一般為:60 m(6度設防)。

2)框架—剪力墻結構:此結構體系的特點是利用電梯間，將之作為鋼筋混凝土的核心筒來抵抗絕大部分的水平荷載。框架柱的作用主要是承受豎向荷載，框架結構布置靈活，能夠滿足大空間的房屋需求，還有相對較大的剛度與相對較強的抗震能力。但是框架—剪力墻也存在一些缺點:因為功能要求剪力墻所布置的位置會受到很多限制，所以一般都不能避免的產生鋼心、質心不重合的結果，造成偏心扭矩，并且容易對內凸框架柱的使用產生一定的影響。其所適用的一般范圍是130 m以下(6度設防)。

3)異型柱框架結構:這是一種新派生的結構框架形式。它所具備的特點除了框架結構以外，同時還很好的處理了建筑平面與墻同寬的異型柱的使用問題。但是就拿異型柱和框架柱進行一個比較，異型柱的剛度與承載能力要好很多，而且其規范與要求也比框架結構更高。所以這種結構多用于多層建筑(比如:別墅)。高層建筑僅適用于8層小高層，適用高度范圍一般都是24 m(6度設防)。

4)剪力墻結構:一般來說，剪力墻所承受豎向荷載和水平荷載的能力相對較強。它的主要特點是整體性好且側向剛度大，水平力作用下側移小，能夠方便房間內部的布置。能夠通過在合適的位置開結構洞，以便形成若干斷肢剪力墻，用來調整整體的剛度。并且還可以采用輕質填充墻來減輕結構的自重以及工程造價。其缺點為:尚不能提供較大空間房屋的結構且延性很差、造價很高。其實用高度的范圍一般是140 m以下(6度設防)。

5)筒體結構:框架—核心筒結構一般是由實體的核心筒與外框架組成。在一般單位設計中，都會把電梯間和一些服務用房集中在核心筒內，其他需要相對較大空間的辦公用房與商業用房等等一般都會布置在外框架的部分。因為核心筒是由兩個方向的剪力墻所形成的封閉的空間結構。此結構相對于框架—剪力墻結構的整體性與抗側剛度要更強一些。且其鋼心和質心的偏差很小。其適用的高度范圍一般都是150 m以下(6度設防)。

2.2 下部結構的選型

高層建筑的最重要的組成部分就是其基礎。它能夠把從上部結構傳遞下來的巨大荷載傳送到地基。高層建筑基礎形式選擇的好壞，不但對結構的安全有影響，而且對樓房的造價、施工工期等都有很大的作用。高層建筑基礎形式主要有下面幾種類型:

1)柱下獨立基礎:大多適用于層數不多且土質相對較好的框架結構。

2)交叉梁基礎:就是雙向為條形的基礎。主要適用于層數不多且土質一般的框架、剪力墻、框架—剪力墻等的結構。

3)片筏基礎:大多在層數不多、土質較弱或者是層數較多但土質較好的情況下使用。如果基巖埋置的深度足夠深，且地下水位又很高，但是距離地表不深的地方還有一定的承載力與一定厚度的持力層時，則選用片筏基礎。這不但可以節省投資還能夠縮短工期。但是由于片筏基礎的剛度相對較弱，所以在使用時要注意對基礎不均勻的沉降、變形與裂縫進行驗算。如果地下水位很高的話，就一定要進行抗浮驗算。

4)復合基礎:主要適用于層數相對較多或是土質相對較弱的情況。可用于填土、飽和和非飽和粘性土。高粘結強度復合地基的代表是CFG樁復合地基。當前已經廣泛的運用到高層建筑地基的建設當中。它不但適用于條形和獨立基礎，同時也可以用于筏基與箱形基礎。

3 高層建筑結構設計要點

1)水平荷載成為決定高層建筑結構設計的決定因素。第一，由于房屋的自重與樓面所使用的荷載在豎構件里面所引起的軸力與彎矩只和房屋的高度成正比。而水平荷載對于結構產生的傾覆力矩，還有因此而在豎構件中所引起的軸力，其與房屋高度的二次方成正比。第二，對某一定高度的房屋來說，豎向荷載在一定程度上是一個定值，但是由于水平荷載與地震的作用，它的數值伴隨著結構動力特性的不同而產生相對較大的幅度的變化。

2)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。

3)側移成為控制指標。與較低樓房不同，結構側移已成為高層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。

4)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。

4 結語

高層建筑業在一步步向前發展，市場需求也日趨復雜化和多元化。為能夠滿足當前的市場需求，高層建筑結構設計師必須嚴格按照設計標準來執行并充分發揮主動性和創造力，以工程實際情況為依據，掌握高層建筑結構設計的難點及要點，設計出理想的格局，為后期施工創造良好的設計版圖。

［1］肖 峻.高層建筑結構分析與設計［J］.中化建設，2008(12):81.

［2］劉海卿，康珍珍，張丙軍.高層建筑結構選型影響因素分析［J］.科學技術與工程，2006(6):92.

［3］賀 楊，張永勝.高層建筑結構優化設計［J］.山西建筑，2012，38(5):34-35.