關于高層建筑結構設計問題的探討

劉保花

（身份證號：1321291970****2905）

高層建筑越來越多，建筑類型與功能越來越復雜，結構體系更加多樣化，高層建筑的結構設計也成為結構工程師設計工作的主要重點和難點。高層建筑設計可以充分展現先進的設計，只有做到結構設計與外部條件相協調，解決構造處理問題，才能取得其與經濟的協調發展。

一、高層建筑結構類型及特點

（一）框架―剪力墻體系

框架與剪力墻合起來互相取長補短，既能提供較大較靈活布置的建筑空間，又具有良好的抗震性能。如果把剪力墻布置成筒體，就組成了框筒結構。筒體的承載力、抗扭能力均較單片剪力墻有較大提高，在結構上可以提高材料的利用率，在建筑布置上往往可以利用筒體作電梯間、樓梯間和豎向管道的信道。框剪結構在承受地震作用時可形成多道防線，剛度很大的剪力墻作為第二道防線，隨著剪力墻的開裂，剛度退化，框架在保持結構穩定及防止結構倒塌上發揮第一道防線作用。經過合理設計，框架剪力墻結構的延性是比較好的，且優于剪力墻結構。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荷載。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。

（二）剪力墻體系

剪力墻結構體系是由鋼筋混凝土墻體互相連接構成的承重墻結構體系，用以承受豎向荷載，抵抗水平荷載，同時亦兼作建筑物的圍護和內部空間的分隔構件，其主要優點：集承重、抗風、抗震、圍護與分隔于一體，經濟合理地利用了結構材料，結構整體性強、抗側剛度大，側向變形小，在承載力方面的要求易于滿足，適于建造較高的建筑;抗震性能好，具有承受強烈地震而不倒的良好性能；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。

（三）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。

二、高層建筑結構設計的影響因素

（一）水平荷載

在低層和多層房屋結構中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結構設計產生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化。

（二）軸向變形

豎向荷載很大的高層建筑，在柱中不僅能引起很大的軸向變形，還會對連續梁彎矩產生很大的影響，最終減少連續梁中間支座的負彎矩值，增大跨中正彎矩值和端支座負彎矩值。除此之外，預制構件中的下料的長度也會受其影響，所以，對下料長度進行調整時，要根據軸向變形的計算值。

三、結構設計應注意的問題

（一）周期控制

結構周期反映了結構體系的柔剛性，周期越長說明結構的整體剛度越柔，同時結構的位移也就越大，控制結構的位移和控制結構的周期是同一性質的，結構位移與結構周期是息息相關的，前者隨后者的增大而單調增長。新抗震規范和高規還進一步提出了對結構扭轉為主的第一周期與平動為主的第一周期之比的限定規定。對于側向剛度沿豎向分布基本均勻的較規則結構，其規律性較強，扭轉為主的第一周期Tt和平動為主的第一周期T1都比較好確定，但是對于平面或豎向布置不規則的結構，則難以直觀地確定Tt和T1。為了便于設計人員執行這條規定，在新規范軟件中增加了根據振動方向因子判斷各振型的振動形態功能和主振型判斷功能。

（二）控制層剛度比

層剛度和層剛度比是兩個重要參數。目前計算層剛度主要有三種方法：a.層剪力與層間位移比值方法。b.剪切剛度方法；c.剪彎剛度方法；按抗震規范定義：層的抗側移剛度實際上就是使層剛心產生單位所需的水平力。層剛度比可以判斷各層間的剛度均勻分布。

（三）控制扭轉不規則

樓層的最大彈性水平位移(或層間位移)，大于該樓層兩端彈性水平位移(或層間位移)平均值的1.2倍，抗震規范3.4.3條規定，扭轉不規則時，應計及扭轉影響且樓層豎向構件最大的彈性水平位移和層間位移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍；因此通過控制結構的扭轉位移，使結構具備必要的抗扭剛度，保證結構滿足地震作用下的抗扭要求，更好地滿足結構的抗震安全性。

四、結語

高層建筑結構設計是一個長期、復雜甚至循環往復的過程，任何在這個過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設計過程變得更加復雜或使設計結果存在不安全因素。所以把每個重要問題都考慮全面了，才能保證結構設計的安全。