試析高層建筑結構設計及結構選型

周德孫

桂林市建筑設計研究院 廣西桂林 541002

在我國城市化進程不斷推進的背景下，高層建筑具有占地面積小、空間利用充分、降低拆卸費用和施工費用等優(yōu)勢，在各大城市得到了大力推廣和應用。但和多層建筑相比，高層建筑結構更加復雜，設計難度更大，需要綜合考慮多方面內容，才能保證設計質量。只有在設計階段就做好結構設計和選型設計，才能為后期施工建設提供必要的參考和指導，避免發(fā)生無故浪費和不合理的損失。基于此，開展高層建筑結構設計及結構選型的分析研究就顯得尤為必要。

1 高層建筑結構特點

1.1 受到水平荷載的影響比較大

多層建筑的材料用量、工程造價、結構設計方案等都由豎向荷載決定，而高層建筑則不同，高層建筑具有很高的高寬比，水平荷載形成的側移、內力也都比較大，是確定結構設計方案、材料用量、工程造價的主要因素。高層建筑的高度越大，則側移量、內力也就越大。

1.2 結構整體性要求高

高層建筑結構整體性比較高是有各層樓板共同作用的結果，樓板的特性決定了在自身平面內剛度非常大，變形系數(shù)比較小。因此，對高層建筑結構而言，樓板通常情況下在平面內只有剛體位移，并不會改變具體形狀，在結構設計中可直接忽略樓板平面之外的剛度。這也是高層建筑每個樓層的抗側力都會受到樓板剛體位移制約的主要原因。

1.3 構件多種變形影響大

在多層建筑結構設計中只需考慮構件的彎曲變形即可，無需考慮各構件的軸向變形和剪切變形發(fā)生。但對高層建筑結構而言，層數(shù)比較多，高度達，具有很大的軸力，高度越大軸軸向變形就越明顯。中部構件和邊部、角部構件的軸向變形差距非常明顯，對高層建筑結構內力均勻分配造成的影響也比較大，在具體設計中必須綜合考慮軸向變形的影響情況。

2 高層建筑結構設計要點

2.1 剪力墻結構設計

高層建筑結構種類繁多，其中框架式剪力墻結構是最常用的一種結構形式，設計方法也比較多，在科學技術飛速發(fā)展的背景下，衍生出了很多新型計算方法。其中應用最廣泛，深受高層建筑結構設計單位青睞的設計計算方法要數(shù)連續(xù)假定法，比如：在進行位移協(xié)調設計中，需要明確剪力墻結構的實際水平位移和轉角情況，以便進行有效設計。其求解方法就是高層建筑結構位移和結構負載之間的關系方程，但在具體設計中，其影響因素和內在需求等指標有一定差距，需要結合實際情況開展有針對性設計分析，以保證高層建筑剪力墻結構設計質量。

2.2 剪力墻體系設計

對高層建筑的剪力墻而言，需要按照剪力墻的受力情況和變形情況，在剪力墻合適的位置設計開洞數(shù)量、開洞規(guī)格、開洞尺寸等。此外，剪力墻的單片受力特性存在明顯差異，按照差異的不同，分為短肢剪力墻結構和特殊開洞剪力墻結構兩種。剪力墻結構不同，其截面所具有的應力、負荷也不相同[1]。因此，在進行剪力墻內應力和位移設計中，需要采取不同的計算方法和設計方法。通常情況下，只需采用平面限單元法就能滿足高層建筑結構設計要求，并且此種設計方法的準確性比較高，可滿足多種類型剪力墻體系設計的要求。

2.3 筒體結構設計

筒體結構也是高層建筑常用的結構形式之一，在具體設計中，筒體結構計算模型的處理方法不同，筒體結構設計方法也不相同，常用的設計方法有：連續(xù)分析法、分散分析法、三維空間分析法，三者相比三維空間分析法具有更高的設計準確性，而設計過程直觀、清晰可見，能夠實現(xiàn)可視化設計，是目前高層建筑筒體結構設計中比較常用的方法。

2.4 結構的抗震設計

抗震設計是任何高層建筑結構設計的重中之重，我國很多地區(qū)都處于地震多發(fā)帶，而且高層建筑高度大，在地震狀態(tài)下，對高層建筑結構造成的影響好為破壞也非常嚴重。為提升高層建筑結構的抗震性，滿足功能使用要求，就必須對高層建筑的彈性、塑性、變形能力等進行全面系統(tǒng)的分析研究[2]。全面我國抗震性的各項指標和規(guī)范，都是立足我國地質條件和地震多發(fā)帶設計而來的，基本上能夠滿足高層建筑結構設計對內應力和位移條件的需求，在設計中必須嚴格按照當?shù)氐卣鹨?guī)范的要求合理設計，以提升高層建筑結構設計的抗震性和安全性。

3 高層建筑結構選型設計要點

3.1 豎向承重結構選型

在進行高層建筑豎向承重結構選型中，需要先考慮高層建筑的實際高度和使用用途，不同結構體系有其獨特的強度和剛度，適用的高度也不相同。通常情況下，框架結構體系適用于高度低、層數(shù)少、地震設防烈度低的高層建筑豎向承重結構設計中。框架剪力墻結構和剪力墻結構則可以適用于大多數(shù)高層建筑高度的要求。層數(shù)比較多，且對地震設防烈度高的高層建筑可選擇筒體豎向承重結構。

3.2 水平承重結構選擇

在高層建筑結構設計中，水平承重結構體系包括：平板式結構體系、無梁樓蓋結構體系、密肋樓蓋結構體系、肋形樓蓋結構體系。其中平板體系應用最多，經常應用在剪力墻結構和筒體結構體系中，其最大的優(yōu)點是板底平整度比較，可不增加吊頂，設計出來的高層建筑結構高度比較低，可適當降低層高[3]。但如果跨度比較大時，僅憑平板結構無法滿足要求，通常情況下，非預應力平板不應超過6m，預應力平臺則不應超過9m，如果厚度過大，會增加樓面重量，不利于高層建筑穩(wěn)定性的提升。

4 結語

綜上所述，本文結合理論實踐，分析了高層建筑結構設計及結構選型，分析結果表明，和傳統(tǒng)多層建筑相比，高層建筑能夠有效緩減城市住房壓力，節(jié)約城市空間和土地。但同時也帶來了嚴重的安全隱患，結構設計和結構選型對高層建筑有很大影響，直接關系到高層建筑結構的安全性和經濟性，因此，在具體設計中需要結合實際情況，選擇合理的結構體系和類型，以滿足高層建筑結構對穩(wěn)定性、安全性、抗震性要求。