高層建筑結構設計與高層建筑結構方案的合理性

韓波

摘 要：本文筆者結合自己的工程經驗和實例，分析高層建筑結構設計中的主要問題，并介紹高層建筑結構設計的特點，并探討建筑結構中的一些結構體系的重要意義以及新興高層建筑結構體系的發展趨勢。

關鍵詞：結構方案；高層建筑；合理性

1 高層建筑結構設計的特點

1.1 需要承受較大的水平荷載作用

每一個建筑都需要承受著很大的垂直荷載與水平荷載，以及地震對建筑物造成的影響。在低層和多層建筑結構中，一般重力荷載就是其主要的控制因素，相對于影響來說，水平的荷載較小，側向位移小。在高層建筑結構中，雖然垂直的荷載對于結構來說有著很大一部分影響，但是主要起著決定作用的還是水平的荷載。并且會隨建筑層數及高度的不斷增加，水平的荷載作用產生的內力和位移迅速增大。

1.2 軸向變形的特點

一般對于多層的建筑來說，會對彎矩充分考慮，因為軸力對于底層建筑的影響非常小，一般不去考慮剪切項的內容。但是對于高層的建筑來說，就是極為重要的一個控制點。從上面的公式可知，由于高層建筑的層數非常多，高度有很大，軸的力度數值也很高，而且沿高度所積累的一些軸向變形非常明顯，軸向的變形會使得高層建筑結構內力的數值以及分布出現很大變化。對于一些連續性彎矩來說，在利用框--墻結構和框架墻結構的高層建筑中，一般中柱所承受的軸壓普遍都會比邊柱的大。一旦房屋屬于高層建筑的時候，這種軸向變形的差別的數值就會很高，并使得連續梁之間的支座彎矩的數值變小，而跨中的正彎矩的數值逐漸增大。

1.3 側移的特點

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，水平荷載作用下結構的側向變形迅速增大。高層建筑結構設計時，不僅要求結構具有足夠的強度，能夠可靠地承受水平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限制在規范規定的范圍之內，以保證有良好的居住和工作條件。

1.4 結構的延性特點

對于大多數高層的建筑結構來說，如在地震的作用下，結構一般會產生受力變形，為了使得建筑經過塑性的變形之后，還具有較強的形變能力，有效避免建筑出現倒塌的現象，尤其要在設計的時候應用合理的措施，確保建筑良好的延性。

2 高層建筑中對于結構體系的比較分析

下面列舉較有代表性的結構體系進行分析：

懸掛結構：是指采用吊桿將高樓各層樓蓋分段懸掛在主構架上所構成的結構體系。主框架與矩形框架相類似，承擔全部側向和豎向荷載，并將它直接傳至基礎。除主框架落地外，其余部分均從上面吊掛，可以不落地。

矩型結構：一般有矩形框架結構和矩形桁架結構。矩形框架結構由樓、電梯井組成大尺寸箱形截面矩形柱，有時也可以是大截面實體柱，每隔若干層設置一道1～2層樓高的矩形梁。它們組成剛度極大的矩形框架，是承受主要的水平力和豎向荷載的一級結構；上下層矩形框架梁之間的樓層梁柱組成二級結構，其荷載直接傳遞到一級結構上，其自身承受的荷載較小，構件截面較小，增加了建筑結構布置的靈活性和有效使用面積。緊靠上層矩形梁的樓層，甚至可以不設柱，形成較大空間，以滿足建筑需要。矩形桁架結構以大截面的豎桿和斜桿組成懸臂桁架，主要承受水平和豎向荷載。

其懸挑結構：造型特殊，在外觀上比較新穎，并很有藝術特色，再加上外柱截面小、且四面周圍開敞，這樣的設計結構很受歡迎。其特點是圍繞核心筒在各個方面作出懸挑，由核心承受所有的荷載，圍繞核心筒可以創造出沒有任何垂直支撐的平面形式，這使室內空間的使用更加靈活、方便。

3 高層建筑的結構體系新特點

高層建筑內部空間因其使用性質和功能不同，建筑平面布置也就隨之變化。小空間平面布置方案僅適用于住宅及旅館；辦公室要求大小空間兼有；餐廳、商場、展覽廳等，則要求有能靈活分隔的大空間；舞廳，宴會廳和報告廳等，又要求內部為無柱大空間。隨著結構技術的發展，一些較新穎結構體系的運用，如懸掛、巨型、懸挑等結構，為滿足各種使用功能要求創造了有利的條件。

比如廣州珠江的新城西塔的內筒應用的就是一種新型的鋼筋混凝土的結構，在外筒上采用的是新型的鋼管混凝土菱形斜交的網格筒，它不論是在材料上還是施工的方法上與傳統框筒有著很大不同。因為結構復雜、設計要求又比較高，導致出現了千變萬化的結點形式，也導致了剛接與滑動等結構逐漸復雜化。這些體系的新特點也是當今建筑設計的一種新型突破。

4 對高層建筑結構進行設計的一些實例分析

某工程是公司員工宿舍的結構設計，建筑共九層，總高33.5m，綜合長度是85.96m。第1層為職工食堂，從2層到6層為員工的宿舍，7層到9層作為公司領導的住所。結構設計中，按七度區設防，特征周期是0.35S，地震加速度是0.15進行抗震設計，主體采用現澆鋼筋混凝土的框架結構。在結構分析時，將整個的建筑結構主要分成兩個單元，并且通過設縫將單元的長度均為42.7m。因本工程室內的墻體比較多，導致了邊柱與中柱都要承受很大荷載。在建筑的底層柱上應用的是C40的混凝土材料，中柱的橫截面積大約在950×1000。在最開始試算時，第一個周期為扭轉周期。依照技術規程之中所規定的內容：結構扭轉為主要內容的第一自振周期是Tt和平動為主第一自振的周期T1的比值，A高度的高層建筑這個比值不可以大于0.9。在最開始的試算之中，Tt和T1的比值，均超過規范要求大于0.9，在之后的試算之中。通過以下措施進行調整。

（1）加大角柱

（2）讓中柱與邊柱的橫截面積進行減低

將底層的角柱橫截面積調整為850×800，同時將底層中柱的橫截面積調整成950×950，底層邊柱的橫截面接調整成900×950，通過結構試算，第一個周期為平動周期，且Tt/T1的比值為0.87，滿足規范要求，使整個結構順利完成。但是一旦框架柱的橫截面積過大，就會對下面的一些樓層平面在使用功能上有一定的影響，比如房間與衛生間的框架柱截面太大，就會對使用功能造成一系列影響。

目前在進行建筑結構設計時，一般都是采用傳統設計方法和經驗及原來的結構規范來規定其結構的類型后，并依照規范對于各種橫截面積的大小與位置進行確定，而且一般依照實際的建筑平面以及功能對建筑構件進行位置的確定之后，普遍先對截面與剪力墻的尺寸進行確定，之后再實行復核的計算。一旦截面大小不合適或者是構件的位置不適當，就需要進行重新的調整而進行釋放的核算，直到取得了合理的構件位置與數量以及截面的大小。所以在這個過程中要進行很多次的計算與調整，以體現建筑結構布置合理的重要性。但在設計中不但要滿足于上下的剪力墻能夠對齊，還要不影響建筑的功能，通過多次的試驗之后在該剪力墻的布置處理之中應用相應原則來處理。

5 結 語

總之，面對復雜的建筑結構設計，除了要提高建筑設計水平、掌握先進的結構設計技術外，還要以科學、合理的利用結構工程原理為設計原則。在有效滿足建筑的功能與安全的前提下，對建筑結構的設計進行合理性的判斷，對投資、施工時間以及空間效果等方面進行綜合考慮，這樣才能設計出符合技術要求的高層建筑。

參考文獻

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