淺談高層建筑結構分析與設計

摘要：隨著社會經濟的發展，高層建筑已成為城市建筑的主流，在結構設計、建筑材料、力學分析模型方面日益復雜化、多元化。高層建筑在體現城市魅力的同時，對新的結構設計和更為合理的力學支撐模型的要求成為多元建筑追求的目標和方向。本文就高層建筑結構的設計和構造體系進行了分析。

關鍵詞：高層建筑；結構分析；構造體系

現代城市建筑規模的膨脹式發展，現有的土地已不能滿足城市建筑發展的需要，除了由內向外擴展外，剩下的只能向高空要規模，因此高層建筑拔地而起，成為城市建筑的方向；而且高層建筑在采光、降低城市噪音、節約建設用地方面，有無比的優越性，但是對建筑和設計的要求更高，既要美觀還要考慮抗震、抗風等影響。

1.高層建筑結構設計的特點

（1）地基承載成為關鍵性因素。地基是一切建筑的基礎，對高層建筑更為重要，樓層越高對地基的壓力越大，地基承載力也越大，因此地基承載力與建筑高度成正比。

（2）軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整；另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

（3）側移成為控制指標。與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

（4）結構延性是重要設計指標。相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。

2.高層建筑的結構體系

（1）框架-剪力墻體系。當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，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，便形成了框架-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。在體系中框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力。框架-剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設置， 增大了結構的側向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架-剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

（2）剪力墻體系。當受力主體結構幾乎全部由平面剪力墻構件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，剪力墻幾乎承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結構，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高， 有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結構體系， 能建高度大于框架或框架-剪力墻體系的高層建筑。

（3）筒體體系。凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系，包括單筒體、筒體-框架、筒中筒、多束筒等多種型式。筒體是一種空間受力構件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結構單體，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。筒體體系具有很大的剛度和強度，各構件受力比較合理，抗風、抗震能力很強，往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。

3.高層建筑結構分析

（1）高層建筑結構分析的基本假定。高層建筑結構是由豎向抗側力構件（框架、剪力墻、筒體等）通過水平樓板連接構成的大型空間結構體系。要完全精確地按照三維空間結構進行分析是十分困難的。各種實用的分析方法都需要對計算模型引入不同程度的簡化。下面是常見的一些基本假定：

（2）彈性假定。目前工程上實用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下，結構通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時，高層建筑結構往往會產生較大的位移，出現裂縫，進入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計算內力和移時不能反映結構的真實工作狀態的，應按彈塑性動力分析方法進行設計。

（3）小變形假定。小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題（P-Δ效應）進行了一些研究。一般認為當頂點水平位移Δ與建筑物高度H的比值Δ/H>1/500時，P-Δ效應的影響就不能忽視了。

（4）剛性樓板假定。許多高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少了結構位移的自由度，簡化了計算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計算筒體結構提供了條件。一般來說，對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是對于豎向剛度有突變的結構，樓板剛度較小，主要抗側力構件間距過大或是層數較少等情況，樓板變形的影響較大，特別是對結構底部和頂部各層內力和位移的影響更為明顯，可將這些樓層的剪力作適當調整來考慮這種影響。

4.高層建筑結構靜力分析方法

（1）框架-剪力墻結構

框架-剪力墻結構內力與位移計算的方法很多，大都采用連梁連續化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉角相等的位移協調條件，可以建立位移與外荷載之間關系的微分方程來求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同。

（2）剪力墻結構

剪力墻的受力特性與變形狀態主要取決于剪力墻的開洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、聯肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。不同類型的剪力墻，其截面應力分布也不同，計算內力與位移時需采用相應的計算方法。

（3）筒體結構

筒體結構的分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為三類：等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效連續化方法是將結構中的離散桿件作等效連續化處理。一種是只作幾何分布上的連續化，以便用連續函數描述其內力；另一種是作幾何和物理上的連續處理，將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板，以便應用分析彈性薄板的各種有效方法。具體應用有連續化微分方程解法、框筒近似解法、擬殼法、能量法、有限單元法、有限條法等。

5.建筑造型與建筑構造

現代建筑構造與造型隨城市建設的發展越來越復雜，與規范要求的規則性偏差也越來越大，根據抗震規范的要求，相關專業應進行必要的設計并分別負責。安裝在建筑上的附屬機械、電氣設備系統的支座和連接，建筑的非結構構件如：非承重墻體，附著于樓面和屋面的構件、裝飾構件和儲物架等，抗震規范等也要達到建筑構造的要求。

6.結語

高層建筑的結構及體系關系到高層建筑的穩定及安全，設計的美觀能展示出城市建設的魅力，隨著科學技術的發展，高層建筑的結構設計將更加完美，不僅是現在還是將來，它是世界上大部分國家在城市建設中的主要建筑形式，特別是發達城市膨脹式發展，在有限的發展空間里，高層建筑勢在必行。

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