關于高層建筑結構設計的深刻分析

曹嬪婭

【摘要】我國高層建筑發展主要特點表現在建筑高度不斷增加且結構體型日趨復雜、鋼-混凝土混合結構應用較多，同時由于我國高層建筑大多要考慮抗震、抗風的問題，設計難度較大。高層建筑結構相關的規范標準及研究工作在高層建筑發展中發揮了重要作用。針對我國高層建筑超高、復雜、混合的特點，今后應進一步加強相關結構設計分析。

【關鍵詞】高層建筑結構設計 設計原則 體系設計

前言：

高層建筑結構設計是個系統的，全面的工作，需要扎實的理論知識功底，靈活創新的思維和嚴肅認真負責的工作態度。作為結構設計人員，必須充分了解高層建筑結構設計特點及其結構體系，只有這樣才能使設計達到技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量的基本原則。

一、淺述高層建筑結構設計的一般原則

1.1根據周邊環境，選擇合適的基礎方案。

設計不能因工程而破壞周邊的自然環境和改變周邊的生態環境。工程圍繞環境進行設計施工，使工程與自然很好的融入到一起，使得兩者和諧共存。在基礎方案的設計中，要把所有的相關因素全部的包括在內，綜合各方面的因素，對工程進行整體的評估，對方案進行正式的審核，最后施工。一切立足由可持續發展的觀念進行施工，工程的質量一定會得以保障。

1.2 選擇合理的結構方案。

高層建筑具有很復雜的結構特點，在施工的過程中要考慮的方面很多，像是供水問題、線路等各方面都是我們要考慮的。結構設計方案中重要的有以下幾點：材料的要求、施工的環境、還要充分的考慮抗擊自然災害的能力。要嚴格的遵循平面和豎直的設計原則，結構方案施工單位與使用方要達成一致，在設計方面以及今后的發展方向要進行詳細的展望，選取得結構方案要合理，最大限度的達到預期的目的。

1.3預防安全事故，選用恰當的計算簡圖

結構計算是在計算簡圖的基礎上進行的，計算簡圖選用不當而導致結構安全的事故屢有發生，因此選擇恰當的計算簡圖是保證結構安全的重要條件。計算簡圖還應有相應的構造措施來保證。實際結構的節點不可能是純粹的剛結或鉸結點，但與計算簡圖的誤差應在設計允許范圍之內。

1.4正確分析計算結果

在結構設計中普遍采用計算機技術，但由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導致不同的計算結果。因此設計師應對程序的適用范圍、技術條件等全面了解。在計算機輔助設計時，由于程序與結構某處實際情況不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會導致錯誤的計算結果，因而要求結構工程師在拿到電算結果時應認真分析，慎重校核，做出合理判斷。

二、淺述高層建筑結構設計的特點

2.1軸向變形不容忽視

通常在多層建筑結構分析中，軸向變形只考慮彎矩項，因為軸力項影響很小，而剪切項的經濟性一般可不考慮。但高層建筑結構就不同了。由于高度大，層數多，軸力值很大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會使高層建筑結構的內力數值和分布產生顯著的改變。

2.2 水平設計對建筑的重要性

水平力是一個建筑最主要的因素，這種因素在高層建筑的體現中更為明顯，隨著高度的增加，水平力的作用會使建筑物產生內力和位移，這源于高度的不斷增加。把房屋結構看成一根最簡單的豎向懸臂構件，軸力與高度成正比，水平力產生的彎矩與高度的二次方成正比，水平力產生的側向頂點位移同建筑的高度的有著正向的關系。所以水平力的設計上我們給出的其數值是隨著動力的變化而變化的。

2.3結構延性是重要設計指標

對于多層結構而言，由于高層結構較高，在地震作用下的變形也會更大。為了能讓建筑在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，尤其需要在構造上采用恰當的措施，來保證結構有足夠的延性。

2.4側移成為控制指標

高層建筑與多層建筑不同的是，結構側移是高層建筑結構設計中的關鍵因素，在水平荷載作用下結構的側向變形隨樓層的增加而迅速增大。設計高層結構時，不但要求結構具有足夠的強度能承受風荷載作用產生的內力，而且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被控制在某一限值之內，保證良好的工作和居住條件。

2.5抗震設計要求更高

近幾年來地震災害頻繁發生，震級在不斷地增加，建筑物損壞造成嚴重的后果危機人們生命安全和財產安全。因此高層建筑的抗震性能更值得關注，結構工程師在對結構進行設計的時候必須加大在抗震的設防方面的研究力度，把高層建筑的抗震性能有效的提高，使得高層建筑物結構質量達到做到小震不壞、大震不倒。

三、簡述高層建筑的結構體系設計

3.1 框架結構體系

框架結構是主要承重結構，由梁、柱、基礎構成平面框架。對于框架柱而言，軸壓比越小在往復水平上荷載下的滯回曲線也會越豐滿，即耗能能力越大，延性就愈好。其優點：建筑平面布置靈活，可以依據自身的要求設計。其缺點：框架結構本身剛度不大，抗側力能力差，水平荷載作用下會產生較大的位移，地震荷載作用下較易破壞。框架體系中，角柱的受力比別的柱差，為了防止角柱遭遇扭轉變形或是彎壓變形，柱截面不宜過小，同時還要加密箍筋，起到增加受壓區混凝土約束的作用。在框架結構體系中，一定要考慮高層建筑的底部柱，柱截面的大小要注意，在高層建筑中，應盡量采用鋼管混凝土柱、型鋼混凝土柱或是高強混凝土柱，通過增加體積配箍率或是沿著柱身增加箍筋達到提高延性。

3.2、剪力墻結構體系

當建筑結構的框架體系強度和剛度不能滿足設計要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設置較大的剪力墻來代替部分框架，從而形成了框架一剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系，在體系中框架主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力。當墻體受力主體全部由剪力構成的話，就會是剪力墻體機構，剪力墻結構體系是把建筑物墻體當作承受荷載的結構體系。對于剪力結構墻間距一般為3～8m，墻體同時作為維護及房間分隔構件。其優點：剛度、強度都比較高，傳力直接均勻，有一定的延性，整體性好，抗倒塌能力強，結構體系特征明顯。現澆鋼筋混凝土剪力墻結構整體性好，剛度大，在水平荷載作用下變形小，承載力要求容易滿足，適于建造較高的高層建筑。其缺點：剪力結構墻間距設計方面不能太大，空間平面布局不太靈活，自重大，開洞小等。在高層剪力墻結構中，應該選用跨高比較大的連梁，減少其剪切破壞，按常規設計方法配筋，進行截面抗剪設計，保證其延性。

3.3框架—剪力墻結構體系

框架—剪力墻結構體系由框架和剪力墻組成。剪力墻作為主要的水平荷載承受的構件，框架和剪力墻協同工作的體系。在框架一剪力墻結構中，由于剪力墻剛度大，剪力墻承擔大部分水平力（有時可以達到80%～90%），是抗側力的主體，整個結構的側向剛度大大提高。框架則承受豎向荷載，提供較大的使用空間，同時承擔少部分水平力。

3.4筒體結構體系

選用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系，主要有筒體-框架、筒中筒、單筒體等形式。筒體分空腹筒和實腹筒兩種類型，它是一種空間受力構件。空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。

結束語：

在高層建筑結構設計中應從結構的安全、使用功能、建筑美觀等方面進行全盤考慮。只有綜合考慮各項原則，結合建筑物的使用功能，對整體結構進行把握，運用科學的方式方法，把好高層建筑結構設計的關口。

參考文獻：

[1] 汪大綏，周建龍. 我國高層建筑鋼-混凝土混合結構發展與展望[J]. 建筑結構學報. 2010（06）

[2] 荊玉明. 淺談高層建筑結構發展趨勢[J]. 科技創新導報. 2009（12）