試論高層建筑結構設計的原則及相關問題

摘 要：高層建筑能給城市居民帶來更多的活動空間和更多的綠地，但同時高層建筑的結構設計又是復雜的問題，要考慮到多方面的因素，還要考慮對周邊建筑或環境的影響。作為土建的設計工作者，應該充分掌握高層建筑結構設計的原則及其結構體系，這樣才能設計出安全可靠、質量過硬、美觀舒適的高層建筑。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；原則

1 高層建筑結構布置基本原則

（1）應考慮建筑的相關使用要求，考慮建筑的用途。盡量使設計便于施工。

（2）為了減少高層建筑的位移，應適當提高整體剛度，高層建筑控制位移是設計中很重要的一環，直接關系到高層建筑本身的安全可靠以及居住的舒適性。為了控制位移，首先要考慮選擇較為合理的結構體系，其次還應從立面的變化以及平面的體型等多方面來減少高層建筑的側向位移。為了提高整體結構的抗側移剛度，在布置結構之時應同時考慮結構整體性的加強。為了減小由于基礎的轉動或平移而導致的結構側移，可以采取加強相關構建連接、加強基礎的整體性或是加強樓蓋的整體性及其剛度等等方法。還要考慮適當的加強結構中較為薄弱的環節或是應力呈現復雜狀態的部位。為了抵抗傾覆力矩，還應增加整體結構體系的有效寬度。為了達到減少側向位移的目的，通常還可以采取增加結構的寬度的辦法，在其他參數確定的情況下，變形量與B^3成反比例。對高寬比H/B進行適當的限制同樣可以達到減少側向位移的目的。

（3）如果建筑處于地震區，還應考慮地震的影響，使相關設計滿足抗震需求。首先應使設計的各個結構單元的平面形狀盡量達到規則而且簡單，使結構的各部分的剛度均勻且較為對稱。如果是不對稱且不均勻的復雜結構通常會增加地震應力的復雜性，使之難以處理或者計算數值，還可能出現扭轉或是應力集中的現象，使抗震設計更加復雜。在設計高層建筑中，應盡量注意剛度中心的位置，使得地震力作用中心和剛度中心盡量一致，注意偏心距e（剛度中心與地震力作用中心的距離）應在建筑物邊長垂直外力作用線5%以內。應力集中現象多出現在高層建筑的拐角處，故電梯間等應盡量避開高層建筑的拐角來設置。立面的體型應減少凹陷或是突出的狀況，這種狀況通常將使剛度在垂直方向上出現突變的情況。經過對震害的分析，可以總結出高層建筑的剛度不均勻、平面布置不對稱、屋頂局部的突出、高低錯層連接或是沿垂直高度剛度發生突變等等情況，都會在地震時產生破壞性較強的震害。還應限制高層建筑的平面長度，保持長寬比L/B在一定的限度內，滿足抗震設計相關要求。結構采取豎向布置時可以減少地震發生時產生的破壞，但應考慮剛度需對稱而且均勻。應盡量避免出現結構不連續或是剛度突變的情況，避免上部剛度較小，從而導致“鞭擊”情況的出現。

（4）在布置或者處理相關設縫（如伸縮縫、沉降縫以及抗震縫）的時候，應考慮高層建筑的體型復雜以及結構影響。在許多發達國家的高層相關縫的設計中，一般的做法是超過十層的建筑不設縫。在兩個沉降獨立的單獨的結構之間一般不設計簡支梁，這樣的簡支梁可以避免兩個獨立結構的沉降差所引發的附加應力，但在地震應力的作用下，兩個獨立結構將相互產生影響，互相拉扯從而引發簡支梁的破壞。

（5）隨著商品房數量的逐漸增多，人口的逐漸增多以及人均土地面積的不斷減少，人們對綠地和活動場地的需求越來越高，高層建筑也就越來越多。住宅商品化帶來的影響就是住宅的壽命需求就越來越高，人們往往需求住宅首先要安全可靠。所以在結構設計的選擇上來說，應盡量有利于抗震抗風以及其他抗其他不利影響，最大限度的提高高層建筑的耐久性和安全性。

（6）在安全和耐久的基礎上，人們還會需求居住的舒適性。高層建筑的結構設計上，還應考慮到舒適的居住性能，滿足人們對室內空間、采光通風等各種需求，盡量配合其他專業，盡可能的避免在住戶的居住空間中出現梁柱的壓抑或是在分隔墻的材料中選用隔聲性能較差的材料。在選用剪力墻結構時，應盡量選用大開間的布置。方便暖通的相關設備的布置以及其他電氣設施的設置。

（7）最后就是在高層建筑的結構設計中一定要嚴格認真的執行相關規范的規定，避免在使用年限內出現結構方面的損壞。

2 高層建筑結構設計中結構體系的選擇

高層建筑的鋼筋混凝土結構選擇中一般可以選擇框架結構、剪力墻、框架-剪力墻以及筒體結構。

2.1 框架結構體系

框架結構受風力或其他水平力影響下側向位移可以分為兩個部分。第一部分側向位移主要是梁或者柱在剪力作用下引起的彎曲導致的。梁和柱上通常還設有反彎曲點，通過這些反彎點，能使結構整體變形為剪切變形。剪力的分布為下層框架結構大，上層框架架構小，層間位移分布與剪力的分布相同。第二部分側向位移由柱中的軸向變形引起，而軸向變形是由于框架整體所產生的懸臂作用。由剪切變形引起的第一部分側向位移較大，框架結構的缺陷就在于其變形較大，抵抗側向位移的剛度較小，導致應用框架結構體系的高層建筑往往高度有限制。

2.2 剪力墻結構體系

剪力墻結構，顧名思義是指應用高層建筑的墻體來作為豎向承重的結構體系，并且還可抵抗水平力作用。剪力墻體系廣泛應用在各種10-30層左右的高層建筑中，剪力墻的延性系數一般在3-5之間。將剪力墻底層作為框架時，又可以稱之為框架-剪力墻結構體系。

2.3 框架-剪力墻結構體系

框架在承受水平力的作用時通常為剪切變形，而剪力墻則呈現彎曲變形，框架-剪力墻體系就是將框架和剪力墻用樓板進行連接，二者變形結合為彎剪型變形。剪力墻通常承擔80%以上的水平力作用。在高層建筑整體中，上層由框架抵抗大部分水平力作用，下層由剪力墻抵抗大部分水平力作用，二者結合提高了高層建筑結構整體剛度。框架剪力墻的結構體系還能減少層間的變形量以及定點位移量的減少，可以提高整體結構的剛度。框架-剪力墻的結構廣泛應用于20-40層的高層建筑，特別是塔式建筑。

2.4 筒體結構體系

筒體結構多應用在30-40層的較高層建筑上，筒體結構體系的強度和剛度比剪力墻或框架-剪力墻結構都要好。筒體結構通常可分為三種。

2.4.1 框筒結構。框筒通常指墻體上開洞后形成的空腹筒體。開洞之后，柱中的正應力分布曲線為拋物線，這是剪力滯后的現象在橫梁變形中的體現，應力集中現象出現在角柱中。框架又可以分為翼緣框架和腹板框架。翼緣框架在方向上與水平力相互垂直，主要可以承擔整體結構由于拉壓所引起的軸力，對傾覆力矩的抵抗力較強，腹板框架與水平力方向相同，主要承擔水平方向剪力。筒體結構為了保持密排柱和窗裙梁的尺寸，框筒的布置如下：立柱中距一般在1.2-3.0m之間，有需要時可以達到4.5m，橫梁高度一般在0.6-1.2m范圍內，寬在0.3-0.5m之間。

2.4.2 筒中筒結構。一般在國外50層以上的高層建筑中應用廣泛，主要由內外兩個筒體結合而成。內筒一般是剪力墻薄壁筒，外筒是框筒（由密柱組成）。有較好的抗震、抗風性能。

2.4.3 成束筒結構。主要由多個剪力墻薄壁筒體組合而成，筒體通常都較小，主要應用在平面形狀較為復雜的高層建筑中。

3 結束語

高層建筑的結構設計對結構整體的剛度要求較普通建筑要高，由于層高所帶來的多種因素都要綜合考慮，是一個復雜且困難的問題，解決方案較多，通常應選擇經濟且最為安全可靠的結構體系來抵抗相關的水平力作用引起的各種變形。在設計高層建筑時要注意認真按照設計原則和規范，才能建造出優質的高層建筑。

參考文獻

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作者簡介：劉峰，身份證號：360123198403120719。