高層建筑結構設計特點分析

周玉明

摘 要：建筑的高層化和多樣化發(fā)展，使得建筑結構設計方面的變化越來越多。面對建筑類型、功能、數(shù)量的不斷增加，高層建筑結構體系的多樣化，高層建筑結構設計迎來了新新的機遇與挑戰(zhàn)。合理的結構設計理念，合理確定建筑設計標準、經濟性措施和原則，這樣不僅滿足設計各類建筑的需求，同時也改善了人類的居住環(huán)境。本文論述了高層建筑結構設計的特點。

關鍵詞：高層建筑；結構；設計特點

1 高層建筑結構設計特點

結構設計在整個高層建筑結構設計中所占的比重比非高層建筑結構設計要大得多，其作用也更為重要。不同的建筑結構體系直接關系到建筑整個設計高度、建筑立面與平面的處理與布置，甚至會影響整個建筑施工方案、施工周期的設計與安排、可以說起對建筑工程的各個環(huán)節(jié)都會產生一定的影響。以建筑結構體系的受力特點為基礎，相關設計人員在高層建筑結構設計過程中主要應該考慮建筑垂直負荷、水平負荷以及側移能力三大方面。

1.1高層建筑結構的垂直負荷分析

高層建筑結構所受垂直負荷影響多存在于框架-剪力墻結構體系中。對于非高層建筑，其軸向力對建筑本身影響較小，同時剪切力也可忽略不計，只需考慮建筑自重對支撐墻的彎矩作用即可。高層建筑在建筑高度、建筑樓層上都遠高于低層建筑，因此高層建筑自重大，其垂直方向負荷也大，軸向變形受建筑高度影響大，彎矩作用明顯。對于框架體系或者框架-剪力墻建筑結構體系而言，當樓層建筑高度超過一定值的時候，軸線壓應力對框架中柱的影響超過對框架邊柱的影響，中柱軸向變形明顯，造成的直接后果就是中柱下沉，進而引發(fā)建筑橫梁中間的支座處的負彎矩值縮減，而橫梁兩側的負彎矩值則會增大。此外，預制建筑構件的下料長度同樣取決于建筑橫梁等構件的軸向變形大小，而軸向變形還會對建筑構件的抗剪力與側移能力造成破壞，帶來安全隱患。

1.2高層建筑結構的水平負荷分析

不論高層建筑還是低層建筑，其本身都同時承受著來著垂直方向的負荷與水平方向的荷載，不同于垂直負荷，水平負荷可能來自建筑的任何方向，因此水平載荷是高層建筑結構設計的關鍵因素。對于低層建筑，水平方向負荷對其影響較小，不會對其產生具有破壞性的內力與位移變形，或者結構損壞，其結構設計主要集中在以重力為主要作用力的垂直負荷控制的結構設計上。高層建筑則不同，因其建筑高度與樓層增多的緣故，除了垂直方向負荷變大之外，其受到風力等外部水平作用力的影響更大，這主要取決于兩個方面的考慮，一方面，建筑高度與樓層增加帶來的荷載變化對建筑結構尤其是豎構件的軸向作用與彎矩作用增大，且其關系為正相關性，水平荷載則會對建筑結構構件產生傾覆力矩，并與垂直方向軸向影響疊加，放大對建筑結構的破壞，這種毀壞性是與建筑高度之間呈二次方正比的關系，另一方面，水平方向外部作用力，如軸向載荷、風力或者地震等，方向與數(shù)值變化快而多，對高層建筑而言，其結構動力特性會隨著外部作用力的變壞而產生大幅度的變壞，因此，在高層建筑設計中，水平載荷是其結構設計中的決定性因素。

1.3高層建筑的側移能力分析

除了對高層建筑結構水平荷載與垂直荷載能力進行分析研究之外，還應當對其結構側移能力進行控制與承載的計算分析。建筑高度與樓層數(shù)的增加，會引起建筑結構組成構件的側向變形，其側向變形增加速度約為建筑高度的四次方倍。建筑結構尤其是豎向構件，在發(fā)生結構側移時將會產生附加內力，導致建筑重心改變，當側移數(shù)值超過建筑結構側移極限時，結構就會變形甚至斷裂，對室內居住人員，會引起其恐慌，對建筑內飾則會造成損壞或者室內電氣設備、管道開裂，嚴重時會致使建筑結構出現(xiàn)大裂縫，最終導致建筑坍塌。

2 高層建筑的結構體系

2.1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(xié)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?？蚣?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。

2.2剪力墻體系

當受力主體結構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，單片剪力墻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。

2.3筒體體系

凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統(tǒng)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。

因此，在高層建筑結構設計中，不僅要保證結構的強度與結構抗推剛度，還需要將高層建筑的側移數(shù)值控制在規(guī)定的安全區(qū)域內，這就要求設計人員必須綜合考慮建筑材料的應用、新型建筑形式與結構體系的研究，確保建筑結構在受到水平荷載時不會發(fā)生側移過度，保證居民的居住舒適度與安全度。

3 結語

高層建筑的建設發(fā)展速度很快，如果設計時單一從質量上考慮分析，其結果是不完善、不理想的。因為在高層建筑的結構設計工作中，不能夠僅僅單一的重視結構計算工作的準確性，忽略整個結構方案在實際施工中的應用情況也不行。應該設計出更加合理的結構方案，以便選擇；應該根據(jù)工程的實際情況來進行具體的分析，并利用自身所掌握的知識和經驗對實際建筑設計中遇到了各種問題進行適當?shù)奶幚?，以達到工程設計、施工的全面質量優(yōu)化、結構設計合理，且安全可靠，造價經濟。

參考文獻

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（作者單位：江蘇中珩建筑設計研究院有限公司）