高層建筑結構設計要點分析

王黨生

摘要：隨著我國城市建設的不斷發展，以及建筑技術的成熟，高層建筑除了數量開始逐漸增多之外，建筑高度也在連漸增加，建筑風格也發生了很大的變化。因此，研究高層建筑設計的原則是非常有意義的。本文從高層建筑結構的特點展開分析，以高層建筑結構和高層建筑結構選型重點探討，使之保證設計的質量，為高層建筑的質量打下堅實的基礎。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；結構選型

1高層建筑結構的特點

1.1高層建筑抗震要求苛刻

高層建筑結構受到自身特性的約束，和一般建筑有很大程度的不同。它在承受建筑結構自身自重和活動荷載組成的豎向荷載同時，還要承受有外界由風壓以及水平地震作用所產生的水平荷載。很多時候，高層結構還應該考慮地震發生時產生的豎向地震作用影響，由此可見高層建筑對于抗震能力的要求有多么苛刻。一般來講，多層建筑結構在水平荷載和豎向荷載作用下，受到的影響有限，但是高層就不同了。在外界地震作用之下，高層建筑受到的結構破壞是毀滅的，而就風壓方面而言，高層的外界風力也是多層所不能比擬的。隨著建筑物高度的不斷增加，高層建筑過大的側移不會影響居住者的舒適程度，但是對于結構的影響很大，過大的側移會損壞建筑的結構與非結構構件。鑒于此，在進行高層建筑設計的過程中，把側移控制在合理的范圍之內是重要的標準，這樣才能在實用性和安全性方面得到平衡。因此，可以說，在高層建筑結構設計中的核心內容就是通過對外界地震作用以及風壓作用的計算，做好抗側力結構的設計。

1.2高層建筑混凝土結構相關規定

（1）高層建筑混凝土結構技術規程規定，10層和10層以上或房屋高度超過28m的建筑為高層建筑。

（2）民用建筑設計通則規定，以高度為24m、100m的住宅和公共建筑分別列為高層及超高層建筑，其防火要求不同。實際上結構沒有確切的劃分低層、中層和高層的界限，對于結構設計而言影響設計的重要因素——水平荷載及其效應是隨高度而漸變的。低層、中層和高層建筑都要承受豎向荷載和水平荷載（風荷載及地震作用），其結構設計原理基本相同，但控制結構設計的因素不同；豎向荷載作用下的基底軸力與結構高度成正比，水平荷載產生的基底剪力與結構高度成正比；但水平荷載產生的總體傾覆力矩與結構高度平方成正比，而頂點側移與結構高度四次方成正比。低層建筑有豎向荷載控制，高層建筑一般由水平荷載控制。圖1為高層建筑物受力簡圖。

說明隨著高度H的增加，起控制作用的底部彎矩和頂部側移隨之成平方和4次方增長。

由此可知，低層主要承受豎載；多層時同時考慮水平力（風載、地震力）但不很突出；高層時水平力影響成為主要控制因素。

1.3水平荷載成為決定因素

隨著城市化進程的加快，城市中的工業發展十分迅速，并且大量的人口涌入城市，在對城市發展做出貢獻的同時，也對城市的發展造成了一定的壓力。因為城市中的土地資源是有限的，而人口卻在逐漸的增長，所以土地資源十分珍貴。為了滿足人們的需求，建筑的高度在逐漸的增加，越來越多的高層建筑、超高層建筑出現在人們的視野中。在高層建筑的結構設計中就要對水平荷載進行充分的考慮，隨著樓層的增加，水平荷載所產生的作用力也將越大，所以在考慮抗震性的同時要對水平荷載給予重視。并且水平荷載也越來越成為結構設計中的決定性因素。

1.4抗震設計要求更高

抗震設計是每個建筑在進行結構設計中都要考慮的問題，但是對于高層建筑而言就要提高標準。因為高層建筑無論是在高度上還是在荷載的承受力方面都具有非常高的強度，所以要比普通建筑的標準提升很多，具有良好的抗震性能。

1.5高層建筑結構設計中的側移和振動周期

結構自振周期高層建筑的自振周期（T1）宜在下列范圍內：框架結構：T1=（0.1-0.15）N框一剪、框筒結構：T1=（008-0.12）N剪力墻、筒中筒結構：T1=（0.04-0.10）N，N為結構層數。

結構的第二周期和第三周期宜在下列范圍內：第二周期：髓=（1/3-1/5）T1；第三周期：T3=（1/5-1H）T1。

共振問題當建筑場地發生地震時，如果建筑物的自振周期和場地的特征周期接近，建筑物和場地就會發生共振。因此在建筑方案設計時就應針對預估的建筑場地特征周期，通過調整結構的層數，選擇合適的結構類別和結構體系，擴大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別，避免共振的發生。

1.6延性是非常關鍵的設計內容

比對那些層數比較低的建筑體來講，高層的結構具有更多的柔性意義，當受到地震影響的時候，它的變形更厲害。為保證結構能夠有優秀的變形水平，防止塌陷現象發生，要重點在構造上使用優秀的方法，以此來確保其有著非常好的延性特點。

2高層建筑結構的分析

2.1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、簡體等）通過水平樓板連接構成的大型空間結構體系。想要完全利用三維結構作為研究的全部依據很不容易，各種方法都是為了更方便簡化的完成模型計算，以下是通常能有效利用的假定。

2.2軸向變形不容忽視

對于高層建筑結構，由于層數多，高度大，軸力值很大，沿高度積累的軸向變形很顯著，軸向變形會使高層建筑結構的內力數值與分布產生顯著的改變。對連續梁彎矩的影響：由于中柱和邊柱的軸向壓縮變形不同，往往會使連續梁中間支座處的負彎矩值及跨中正彎矩值和端支座負彎矩發生變化。對構件剪力和側移的影響，在考慮豎向桿件軸向變形與不考慮豎桿件軸向變形相比較，各構件水平剪力和側移都會產生很大的誤差。由此可見，在進行高層建筑結構設計時，構件的軸向變形必須列入到設計考慮的范圍中采。

2.3小變彤假定

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-A效應）進行了一些研究。一般認為，當頂點水平位移△與建筑物高度H的比值A/H>1/500時，P-△效應的影響就不能忽視了。

2.4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，但是在遭受罕見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，結構進入到彈塑性工作階段。此時仍接彈性方法計算內力和位移時不能反映結構的真實工作狀態，應按彈塑性動力分析方法進行設計。

2.5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的自由度，簡化了計算方法。并為采用空間薄壁桿件理論提供了便利。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層數較少等情況，會使樓板變形較大。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。

2.6計算圖形的假定

高層建筑結構體系整體分析采用的計算圖形有三種：一維協同分析。使用這一辦法，只注意側力構件與位移自由之間的協調，并利用水平力的推動下，把復雜的結構簡單地看作是被水平力推動的抗側力所影響的平面，依據對剛性樓板進行的假定，一個樓面內所存存在的構件標高構件移動相似，可以看作是等值，用這一辦法能夠創建一維方程，而受到扭矩的影響，要依照同層樓板上各抗側力構件轉角相等的條件建立基本方程。一維協同分析方法被使用的幾率很大，各種形式都有所利用。

二維協同分析。二維協同分析雖然仍將單榀抗側力構件視為平面結構，但考慮了同層樓板上各榀抗側力構件在樓面內的變形協調。縱橫兩方向的抗側力構件共同工作，同時計算；扭矩與水平力同時計算。在引入剛性樓板假定后，每層樓板有三個自由度u，v，o（當考慮樓板翹曲是有四個自由度），樓面內各抗側力構件的位移均由這三個自由度確定。剪力樓板位移與其對應外力作用的平衡方程，用矩陣位移法求解。二維協同分析主要為中小微型計算機上的桿系結構分析程序所采用。

三維空間分析。二維協同有所缺陷，對位移和力的考慮并不全面，并且，對剛度以及扭轉剛度等的空間筒體的處理是不算精確的，三維空間所表達的內容有所增大，自由度按照理論原則的不同可以分別產生6～7個，同時，對于翹曲等問題也考慮在當中，使得對問題的反應更全面更立體。

3高層建筑結構選型

3.1高層建筑結構體系選型

在高層建筑施工的過程中，其施工工藝十分重要，不僅對建筑的質量、進度和工期有所影響，同時還會影響到建筑結構承受荷載的能力以及抗震性的強弱。所以說在對高層建筑的結構體系進行選型階段，要對施工工藝給予一定的重視。

3.2剪力墻結構體系

在剪力墻結構體系中，剪力墻作為承重構件不僅承受豎向荷載和風產生的水平荷載，還需要具備抵抗地震作用的能力。剪力墻沿橫向和縱向正交布置或斜交布置，它的主要特點是剛度大、用鋼量少、空間整體性好。在高層住宅中，由于房間面積一般不大，而且分隔墻較多，用戶對建筑沒有大空間的要求，可以將剪力墻與分隔墻合二為一，降低了建筑物的造價，節約成本。同時剪力墻可以隱藏在填充墻中，使房間不露梁柱，使建筑達到很好的整體美觀效果。因此，剪力墻結構受到開發商和業主的廣泛歡迎，使得該結構體系在高層住宅中得以廣泛應用。

3.3簡體結構體系

凡采用簡體為抗側力構件的結構體系統稱為簡體體系，包括單簡體、簡體一框架、簡中簡、多束簡等多種型式。簡體是一種空間受力構件，分實腹簡和空腹簡兩種類型。實腹簡是由平面或曲面墻圍成的二維豎向結構單體，空腹簡是由密排柱和窗裙粱或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。簡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。

4結束語

高層建筑的結構設計是一項技術性很強的綜合性工作，是整個建筑質量的最基礎保證。隨著經濟水平的迅猛發展及科學技術水平的不斷提高，高層建筑的形式、材料、力學分析模型都將日趨復雜多元，為此隨著我國國力的的不斷增強，我們不僅應該借鑒外國先進的建筑技術，更加應該注意密切結合我國的具體國情。這樣，我們必將能走出一條具有中國特色的高層建筑之路。