關于高層建筑結構設計的探討

文靜

摘 要：隨著我國市場經濟發展以及人們對建筑物功能要求的改變，人們對建筑工程產品的要求也日益增高，而在整個建筑設計的過程中，設計者始終要把質量安全作為根本目標。本文筆者將對高層建筑結構體系的設計因素以及原則進行了分析，并提出了相關設計點供予同行作為參考。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；結構體系

前 言

改革開放之后，我國城市發展開始與國際接軌，高層建筑更是最明顯的體現之一。目前我國的高層建筑在各大城市中已經占有一定的比重，而高層建筑最為重要的是安全性與穩定性，在此情況下，建筑結構設計便是為關鍵點，所以建筑設計人員要在掌握高層建筑結構體系的前提下，具體分析地域情況，確保高層建筑符合安全功能以及經濟三大標準。

1 高層建筑結構設計的原則與體系分析

1.1 設計原則

（1）高層建筑結構設計的重點在于結構的構造與選型，結構體系的選擇要把抗風性能和抗震性能放在第一位，然后再考慮經濟效益、平立面布置方案以及構件的連接性。相較于建筑的抗風性能，目前國內外更關注高層建筑的抗震性能，并要求高層建筑的抗震設計要保證整個建筑物的結構有足夠的承載力延性和剛度。

（2）鋼筋混凝土高層建筑的結構設計的重點在于建筑、施工和設備三者之間的配合度，其原則是要保證經濟合理、技術先進、安全適用，建議使用新型的材料、工藝和設備。

1.2 應用范圍

目前，我國的高層建筑常用鋼筋混凝土結構，其結構體系包括以下幾種：

（1）剪力墻結構體系，就是在高層建筑中布置被稱作“剪力墻”的鋼筋混凝土墻體，其目的是提高高層建筑結構的抗側力鋼度和抗剪強度。另外墻體也可用于維護和分格房間。剪力墻是沿橫向和縱向兩個方向正交布置，或者沿多軸線進行斜交布置，這樣就可以同時承受水平荷載和豎向荷載。剪力墻結構的優點在于荷載承受能力強，布局較為規整，房間造型整齊美觀，在經濟上可以節省剛材料的開支。另外，經過長期的考察，我們發現剪力墻結構的抗震性能很好。剪力墻結構的特點是以較多的墻體來承受荷載，這也就決定了這種結構不適于大房間的布置，所以為了能夠在像會議室和門廳等這些大面積的公共用房也使用剪力墻結構，設計師會在進行結構設計時在建筑物的部分底層或者部分層用框架代替剪力墻，也叫做框支剪力墻結構。但這種結構不適于地震多發區，因為這種結構的底層柱子的剛度比上層小很多，一旦遭遇地震，上下層柱子會發生劇烈的變形。

（2）框架-剪力墻結構體系，將框架結構和剪力墻結構結合起來，綜合了兩種結構的優點，既有較強的抗震能力和剛度又有布置靈活的特點，被廣泛用于高層建筑中的公寓和辦公樓等。

（3）框架結構體系，是高層建筑結構最常見的形式之一。這種結構體系的承重構件是基礎、梁、柱以及樓板，其中主要承重結構是由梁、柱和基礎組成的平面框架，承重原理是將各個平面框架連接起來，形成一個空間結構體系其優點是平面布置靈活性高，立面設置較為簡單，建筑自重較輕。

（4）筒體結構體系，這一結構體系彌補了平面工作狀態的剪力墻和框架結構在抗震設計方面的缺陷。具體設計方案是用剪力墻來組成空間薄壁筒體，形成豎向懸臂箱形梁，以增加柱子的密度來增強梁的剛度，還可以用一個或者多個筒體作為主要構件承受水平荷載。筒體結構的型式有以下幾種：

①筒中筒結構，顧名思義，這種結構是由內、外兩個筒體構成，內筒是剪力墻簿壁筒，而外筒就是由密柱組成的框筒。外柱的密度較大，其主要作用是抗震和抗風。

②巨型結構體系，這種結構體系是將由若干根大面積的實體柱子或者電梯井組成的巨型柱子和巨梁構成的巨型框架作為一級結構，承受所有方向的荷載，而其他樓面的柱子和梁所構成的二級結構，只是把樓面的荷載傳遞給一級框架結構。因為二級結構的柱梁截面比較小，所以建筑布置的靈活性很高。

③框架筒體結構，其設計原理和框架剪力墻結構很相似，主要是承受水平荷載，具體布置情況是在中央設置剪力墻簿壁筒作為主要承受構件，在周邊布上大柱距的普通框架作為輔助承受構件。

④成束筒結構，也就是將多個剪力墻薄壁筒體設置成束，一般這種結構適合于平面形狀復雜的建筑。

2 高層建筑結構設計的注意事項

相較于其他建筑結構，高層建筑結構比較復雜，并且計算工作量也較大，同時結構體系的選擇會直接影響到高層建筑工程的各個環節，其中包括平面布置、樓層高度、施工技術以及工程造價等，所以在高層建筑結構設計中，要注意以下幾個方面：

2.1 嚴格控制側移指標

高層建筑與其其他建筑的不同最直接的表現是樓層多，這也是決定高層建筑結構的根本因素。因為建筑高度越高，水平荷載對結構的側向形變的影響會越明顯，兩者之間的關系可以用公式△=qH4/8EI表示，解釋為變形程度與建筑高度的4次方成正比例的關系。另外，還有很多因素影響著建筑結構，比如在建筑形式、結構體系以及建筑材料等方面的發展，這也就要求設計師們在進行高層建筑結構設計時，不僅要考慮結構的強度，還要注重結構的抗推剛度，以保證水平荷載所產生的側移在一定范圍內，不然會發生一些嚴峻情況，如會對住戶的心理造成恐慌；造成建筑的主體結構構件損壞；側移產生的較大的附加內力會造成建筑物倒塌；造成墻體損壞，影響電路運行等。

2.2 減輕建筑自重

由于高層建筑有著更多的樓層，所以其建筑自重也較大。同樣的樁基承載力或者地基承載力能夠承受的建筑自重一樣時，當兩棟建筑物的層數一樣，那么建筑自重較小的建筑就可以再添加幾層樓層，這對高層建筑來說無疑是一個很好提高經濟效益的入手點。當然，這只是針對地基較為結實和土層較硬的情況來說的。另外，減輕建筑自重還可以提高建筑的抗震性能，如當建筑自重很大時，其重心也較高，那么地震所產生的地震剪力大對建筑物的損壞力度就會變大。

2.3 綜合把握概念設計與計算設計

建筑的抗震設計包括概念設計和計算設計兩個部分。計算設計的前提是要有一定的假設條件，由于地震的不確定因素較多，即使計算設計的分析手法和原則在不斷改善，但假設終究還是不能完全代表現實，所以計算結果和實際情況存在較大的出入是極有可能的事，特別是在建筑結構經歷過彈塑性階段以后，常規的計算原理已經不適用了。因此，除了計算設計，還要把握好概念設計，將兩者有效地結合在一起使用，盡可能地模擬出真實的地震影響。

2.4 注重水平力在設計中的影響

與低層建筑不同，對高層建筑結構起到決定性影響的水平荷載，但這并不是說豎向荷載對于高層建筑就不重要，只是其重要性相較于水平荷載來說較弱一些。原因是建筑的豎向荷載對豎向構件所產生的彎矩和軸力的數值與建筑高度的一次方成正比例關系；水平荷載對建筑結構所產生的傾覆力矩和軸力的數值與建筑高度的二次方成正比例關系。另外，對于高層建筑來說，豎向荷載一般是建筑自重，而水平荷載涉及到地震作用和風作用，其數值變化幅度較大，不易控制。

2.5 加強抗震設計

在高層建筑結構設計中，抗震設計一直是一個關注點，抗震設計的水平直接與建筑的安全性能和經濟性能掛鉤。在進行抗震設計中，有兩大因素是應重點考慮的，分別是豎向荷載和風荷載，好的抗震性能的標準是“小震不壞，大震不倒”。

2.6 緊抓軸向變形問題

框架剪力墻體系和框架體系的特點是框架中柱的軸壓應力通常比邊柱的軸壓應力大很多，同時在軸向壓縮變形這一方面上也是如此如果建筑的高度達到一定高度時，框架中柱與邊柱在軸向變形上的差距就會達到一個很大的數值，導致連續梁中間支座沉陷，發生劇烈的變形，最終使建筑物發生倒塌。

3 結束語

城市化發展的加速，促使高層建筑結構體系也在不斷地更新，除了文中所述的幾種結構，在現實生活中還有很多結構，但不管是哪一種結構體系，建筑設計人員都要對結構進行詳細的了解之后，再進行運用，以確保高層建筑設計的安全經濟。

參考文獻

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[2]王永，胡凌燕.淺析工程建筑結構設計[J].中華民居，2013.