對高層建筑結構設計要點的研究

烏魯木齊建筑設計研究院有限責任公司 830092

摘要：高層建筑目前在我們的城市建設當中所占的比例是越來越大，而建筑結構設計方面的變化也越來越多，很多新興的結構設計方案以迅猛的速度呈現在我們的城市建設中。建筑類型與功能越來越復雜，高層建筑的數量口漸增多，高層建筑的結構體系也是越來越多樣化，高層建筑結構設計也越來越成為高層建筑工程設計工作的難點與重點。

關鍵詞：高層結構；布局；總體

一、高層結構方案的設計

在實踐中，設計人員的建筑設計方案和結構設計是相互協調、相互影響的，在初步設計之前做的工程項目來設定一個總體方案是概念設計的目的，根據使用功能、設計意圖、現場的建筑條件、材料的來源以及業主對項目資金的使用等許多方面因素的要求，這樣對下一步的設計、施工和維護使用能做到又快又省力。目前來說，高層建筑結構體系分幾種類型：①剪力墻結構；②框架結構；③框架剪力墻結構④框架核芯筒結構；⑤筒中筒結構；在這么多的結構體系中，讓設計師們可供選擇一種或幾種結構體系用來備選，在建筑結構概念設計時確定。透過建筑結構的計算和各個方面的技術經濟比較確定最為經濟合理的結構設計體系。

二、高層建筑的結構布局設計

高層建筑的結構設計，在其結構的布局上比較的關鍵。現代的高層建筑在規劃的規程中，各功能區的設計，需要基于現代人的生活理念，進行合理的布局。

1、高層結構在承受力方面，尤其是垂直方向，需要承受較大的壓力

因此，在高層建筑的地基設計時，首要的任務就要保障地基受力結構的穩定性設計。于是，在地基的設計過程，地基的承載力是最大的，隨著樓層的增加，結構的受力逐漸的減小。這樣的設計理念，可以很好的平衡建筑結構的受力狀況。尤其是垂直承受方向，堅固的地基設計是樓層安全的關鍵。

2、基于高層建筑的特殊承受力要求，使得其在設計結構的選擇上，需要采用整體性能穩定的結構，進而很好的保障了樓層承載力的需求

從實際的設計理念看，現代的高層建筑一般采用剪力墻、筒體、箱型等的設計。這幾種設計做法，可以很好地克服高層建筑帶來的強大承受力。尤其是剪力墻的設計元素，在當今的設計之中使用的非常的廣泛，而且有很強的實際效果。該種結構的設計方法，就是可以在建筑的過程中，其可以形成相對獨立的結構體系。同時，獨立的結構體系，在結構的穩定性、延性上都比較的優良，這對于高層建筑來說是非常的重要，尤其是優良的結構延性，便于樓層整體結構的形成，并且在受力的過程中，能夠將受力延伸至結構的各個部位，進而很好的對受力進行均勻分布。

三、建筑結構總體布置

我們通過選擇合理的結構體系以及較好的結構布置，使建筑結構設計更加合理科學。往往完美的建筑設計方案的效果也都是需要結構不斷的想辦法去實現的，但是有很多的建筑方案有時候會要求結構犧牲安全性和經濟性去達到建筑的美觀效果，我們應該深入去分析結構的安全性，原則性的問題絕對不能遷就建筑，以防止造成結構功能和安全上的問題。結構布置要全面考慮以下幾個因素方面：

1、控制結構的側向變形和位移比

建筑的結構一般都要同時承受豎向荷載、水平荷載。水平荷載會使側移隨結構的高度增加而變大，因此，在水平荷載的作用下，如果建筑高度超出一定的范圍后，就會造成結構發生過大側移和相對的位移，有時甚至會嚴重地破壞結構構件，所以，我們要把控制側向位移作為高層建筑結構設計的重點和難點來解決，一般情況下，要以限制結構的高度和高寬比為控制手段。

層間位移比是控制結構平面不規則性的重要指標。其限值在《建筑抗震設計規范》和《高規》中均有明確的規定。需要指出的是，新規范中規定的位移比限值是按剛性板假定作出的，如果在結構模型中設定了彈性板，則必須在軟件參數設置時選擇“對所有樓層強制采用剛性樓板假定”，以便計算出正確的位移比。在位移比滿足要求后，再去掉“對所有樓層強制采用剛性樓板假定的選擇，以彈性樓板設定進行后續配筋計算。剛重比是結構剛度與重力荷載之比。它是控制結構整體穩定性的重要因素，也是影響重力二階效應（P—△效應）的主要參數。通常用增大系數法來考慮結構的重力二階效應，如考慮重力二階效應的結構位移可用未考慮P—△效應的計算結果乘以位移增大系數，但保持位移限制條件不變（框架結構層間位移角 ≤1/550）；考慮結構構件重力二階效應的端部彎矩和剪力值，可采用未考慮P—△效應的計算結果乘以內力增大系數。

2、平面布置

平面布置的選擇主要是根據建筑工程的實際情況來確定，如果是獨立的結構單元，則采用形狀較為簡單，而且要根據相對應、相協調的原理，剛度和承載力分布要呈現出比較均勻的形狀。此外，根據抗震設計的要求，高層建筑單個的結構單元長度要控制在一定的范圍內，不能太長，否則在發生地震時，結構的兩端可能會出現反相位的振動，這將會導致建筑被過早地破壞，同時威脅到人們的安全。

設計中的扭轉問題

幾何形心、剛度中心、結構重心是建筑結構的三心，在結構設計時盡量將三心匯于一點，即三心合一。為避免建筑物因水平荷載作用而發生的扭轉破壞，應在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下，高層建筑扭轉作用的大小取決于質量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結構的扭轉振動，應使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下，由于城市規劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制，高層建筑不可能全部采用簡單平面形式，當需要采用不規則L形、T形、十字形等比較復雜的平面形式時，應將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規范允許的范圍之內，同時，在結構平面布置時，應盡可能使結構處于對稱狀態。

3、豎向布置

為了避免過大的外挑和內收，結構的豎向布置應遵循形體規則、剛度和強度沿高度均勻分布的原則，而在同一層的樓面，要設在統一標高處以防止錯層和局部夾層的情況出現。而在面對高層建筑時，還要注意解決結構剛度和強度發生變化的情況，對于這種情況，應逐漸變化。

轉換層 結構上的轉換層概念，主要是指在整個建筑結構體系中，合理解決豎向結構的突變性轉化和平面的連續性變化的結構單元體系。它在主要滿足結構安全功能要求的同時，多數情況下解決一些特殊技術性建筑功能要求。由于轉換層位置的增高，結構傳力路徑復雜、內力變化較大。高規10.2.2條規定：帶轉換層的高層建筑結構，其剪力墻底部加強部位的高度應從地下室頂板算起，宜取至轉換層以上兩層不宜小于房屋高度的1/10。相比于02規程，將墻肢總高度的1/8改為房屋總高度的1/10。

新規范將02規范“框支梁”改為更廣義的轉換梁。轉換梁包括部分框支剪力墻結構中的框支梁以及上面托柱的框架梁，是帶轉換層結構中應用最為廣泛的轉換構件。轉換梁應按梁建模、按墻分析、按梁設計。轉換梁受力復雜，高規10.2.7提出了比一般框架梁更高的要求。

原規范的“框支柱”改為“轉換柱”。轉換柱包括部分框支剪力墻結構中的框支柱和筒體等結構中支承托柱轉換梁柱。隨著地震作用的增大，落地剪力墻逐漸開裂、剛度降低，轉換柱承受的地震作用逐漸增大，所以高規10.2.10條規定轉換柱不僅在內力上調整，在構造配筋上要比普通框架柱高。為保證轉換構件的設計安全度并具有良好的抗震性能。高規10.2.4條規定：特一、一、二級轉換構件的水平地震作用計算內力應分別乘以增大系數1.9，1.6，1.3；轉換構件應按本規程第4.3.2條的規定考慮豎向地震作用。軟件在內力組合時對地震內力進行放大。

4、縫的設置和構造

建筑結構的總體布置應該要考慮到沉降、溫度收縮和形體復雜對結構帶來的不利影響?？梢岳贸两悼p、伸縮縫或防震纏把結構分成若干個獨立單元，以消除沉降差、溫度應力和形體復雜對結構的不利影響。但如果設縫，就會對建筑的使用要求、立面效果、防水處理帶來不便。因此，在設縫上必須要謹慎對待，盡量能從總體布置上或構造上采取其他有效的措施來減少沉降、溫度收縮和形體復雜引起的問題。

四、結語

總之，隨著高層建筑規模和型式的不斷發展，追求結構形式新穎、受力合理的目標將是結構設計工作者的目標和方向。加強優化設計的實施，高層建筑的結構設計不僅應保證高層建筑具有足夠的安全性，還應保證結構的經濟性、合理性。

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