高層建筑結構設計問題探討

張學進　周宏倫

【摘要】本文針對高層建筑結構體系設計，首先概述了高層建筑結構設計的特點以及設計原則，進而詳細介紹了高層建筑結構體系選型設計，可以為相關人員熟悉了解高層建筑結構設計提供合理的參考。

【關鍵詞】高層建筑；結構設計；體系；選型

【Abstract】In this paper， high-rise building structural system design begins with an overview of the high-rise building structural design characteristics and design principles， and then details the design of high-rise building structural system selection， you can become familiar with the relevant personnel to provide reasonable structural design of high-rise buildings of reference.

【Key words】High-rise buildings； structural design； system； Selection

1. 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快以及城市建設用地的日趨緊張，高層建筑在城市建設過程中日益增多，已經成為大中型城市的主流建筑形式。高層建筑結構功能的多樣化與復雜性對高層建筑結構設計也提出了更高的要求，提高高層建筑結構設計方案質量，確保高層建筑設計方案的經濟合理與安全可靠，已經成為高層建筑設計的核心理念，這也是高層建筑結構設計過程中所必須恪守的基本原則。

2. 高層建筑結構設計特點

（1）水平荷載是高層建筑結構設計的重要影響因素。多層建筑以及低層建筑大多以豎向荷載作為結構設計控制指標，然而對于高層建筑，由于樓層較多而且層高超過24m，因此雖然豎向荷載對于高層建筑結構設計有著重要的影響，但是直接影響高層建筑結構設計的荷載是水平荷載。高層建筑由于水平荷載作用對于自身結構所產生的傾覆力矩以及在豎向構件中產生的軸力，與高層建筑的樓高呈平方關系，而且風荷載以及地震荷載等水平荷載等對于建筑的影響與高層建筑的結構動力性也有著直接的關系。

（2）必須全面考慮軸向變形的影響。對于低層以及多層建筑而言，由于軸力作用的影響很小，因而在設計過程中只需考慮彎矩項。但是對于高層建筑而言，由于樓層高度較大，因而會導致結構體系中軸力較大，而且隨著高層建筑的高度不斷積累軸向變形，軸向變形對于高層建筑的結構內力值以及具體分布也會產生不同的影響。

（3）對于高層建筑的側移控制要求更為嚴格。高層建筑與多層建筑有很大的不同，隨著建筑高度的不斷增加，在水平荷載作用下的側向變形也會隨之增大。這就要求在高層建筑結構設計中必須充分考慮車道結構的強度以及抗推剛度，將水平荷載作用產生的側向變形控制在合理的范圍內，以免造成高層建筑結構開裂或者是側傾的發生。

（4）完善高層建筑結構延性的設計。對于高層建筑而言，由于結構變形也更大，因此為了避免高層建筑在地震作用或者是水平荷載的作用下出現倒塌，必須在高層建筑結構設計方面采取相應的措施，通過保證結構的延性提高高層建筑的安全性。

3. 高層建筑結構設計原則

（1）注重概念設計。在高層建筑結構設計上應該結合理論計算、試驗研究以及工程設計經驗開展設計，對建筑結構的總體布置以及細部構造進行明確。

（2）高層建筑結構體系的選型與布置必須合理，綜合考慮各種因素做好結構體系選型，盡可能的避免由于高層建筑局部突變以及扭轉效應造成結構體系中出現薄弱部位。

（3）結構體系具有足夠的承載能力、剛度以及變形能力，對于結構體系中的薄弱部位必須做好補強措施。

（4）在結構體系的設置上應該選擇抗震性能好、抗風性能強而且經濟合理的結構體系，并重點采用對抗震有利的結構布置形式。

（5）高層建筑平面結構以遵循簡單、規則、對稱的原則進行布置，盡可能的減少偏心?？刂聘邔咏ㄖ钠矫骈L度以及突出部分長度，并盡可能避免采用角部重疊的平面圖形。

4. 高層建筑結構設計選型

4.1依據建筑材料選型。

高層建筑結構體系根據建筑材料的不同可以具體分為鋼結構體系、鋼筋混凝土結構體系、鋼-混凝土混合結構體系以及鋼-混凝土組合結構體系。鋼結構體系具有自重輕、構件斷面小、抗震性能好以及施工快的優點，但是同時也存在著用鋼量大、耐火性差、造價高等不利因素。鋼筋混凝土結構體系由于融合鋼筋以及混凝土協同受力，因而鋼筋混凝土體系承載能力強、剛度大、耐火性以及耐久性強、抗震性能好，現階段在高層建筑工程設計中是使用最多的結構體系形式，但是存在著構件斷面積大、自重大、施工作業周期長以及延性較差的問題。鋼-混凝土混合結構體系通過利用鋼筋混凝土作為剪力墻，鋼框架結構依附其上承受荷載，因而結合了鋼筋混凝土以及鋼結構體系的優點，具有抗震性能強以及造價較低的優點。鋼-混凝土組合結構體系則具有承載能力高、抗震性能好、耐火性能好以及施工作業周期短的優點，但是由于節點構造較為復雜，因而現階段主要用于小偏心受壓構件。

4.2依據結構形式選型。

高層建筑結構體系根據結構形式可以分為框架結構體系、剪力墻結構體系、筒體結構體系以及體系組合結構。

（1）框架結構體系?？蚣芙Y構體系的縱向以及橫向均由框架單一構件組成，由于框架結構體系水平剛度相對較小，承載能力不高，而且位移較大，因此主要適用于6～15層的高層建筑結構體系。

（2）剪力墻結構體系。剪力墻結構體系的特點在于豎向承

重結構均由一系列橫向或者是縱向的鋼筋混凝土剪力墻組成，作為一種剛性結構體系，剪力墻結構體系具有水平剛度大、側位移小以及承載能力強的特點，主要適用于40層以下，高寬比小于6的高層建筑。

（3）筒體結構體系。筒體結構體系的特點在于由框架或者是剪力墻合圍成豎向井筒，并通過樓板將井筒四壁聯系起來，形成整體的空間構架，筒體結構形式相比框架體系或者是純剪力墻體系，具有更高的承載能力，能夠承受更大的水平荷載。筒體結構由于將受力構件集中設置，因而能夠創造更大的室內空間，更適用于超高層建筑。

（4）框支剪力墻?？蛑Ъ袅χ饕抢每蚣苤С屑袅υ谙虏坎捎每蚣芙Y構以滿足高層建筑的空間需求，由于這種結構體系的上部剛度相對較大，而底部剛度較小，因此容易在結構交接處易產生突變，在進行結構體系設計中必須充分考慮剪力的向下傳遞。

（5）框架-剪力墻體系，主要是通過在框架中布置剪力墻，并設置使樓板與框架有可靠連接的結構體系。框架-剪力墻結構體系的豎向荷載由剪力墻和框架承擔，水平荷載則主要是通過剪力墻承擔?？蚣?剪力墻體系由于結構布置較為靈活，因而在高層建筑中的應用也最為廣泛。

（6）框架-筒體體系?？蚣?筒體體系則是由筒體和框架共同組成受力體系的結構形式，這種結構體系形式充分利用筒體結構抗推力較強的特點，利用筒體作為抗側力構件并主要承受水平荷載，框架結構則主要承擔重力荷載。

（7）筒中筒結構體系。筒中筒結構體系主要是指由兩個或兩個以上的筒體內外嵌套所組成的建筑結構體系，這種結構體系的特點在于具有較高的抗側力能力，而且高層建筑的內部空間也相對較大，筒中筒結構體系在設計中應該注意控制外筒開窗面積不宜超過50%，而且內筒長寬均應控制在小于外筒的1/3。

（8）束筒體系。束筒體系的結構特點在于將若干個筒體并列，進而形成完整的結構體系。束筒抗彎能力、抗剪能力以及抗側移剛度均較好，而且由于每一個筒單元平面形式不盡相同，因而可以在不同的高度終止，對于高層建筑結構完整性也沒有影響。

5. 結語

隨著高層建筑工程數量的不斷增加，高層建筑結構設計項目也越來越多。高層建筑結構設計人員在開展結構設計時，必須明確高層建筑結構設計的特點，完善高層建筑的結構選型以及結構布置，在確保高層建筑使用功能以及結構安全得到保障的基礎上，不斷優化結構設計方案，實現高層建筑結構設計方案的安全可靠、經濟合理以及技術可行，進而提高高層建筑工程項目建設的社會效益與經濟效益。

參考文獻

[1]容柏生.國內高層建筑結構設計的若干新進展EJ].建筑結構學報，2007，（09）.

[2]高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ3-2002）EM].北京：中國建筑工業出版社，2002.