浅谈高层建筑结构设计分析

孟艳松

摘要：为了满足现代城市人口急速增长和人类物质生活的需要，追求新的建筑结构形式，进一步发展高层建筑，本文对高层建筑结构受力特点，结构布置和设计中应注意的一些问题和特点作简要分析。

关建词：高层建筑；结构设计；受力特点；设计分析。

随着现代社会经济的不断发展，人民生活质量水平不断提高，人类的居住环境、居住条件和居住需求也在不断的变化，在国家对土地使用制度控制越来越严格，建筑用地更是越来越稀薄。建筑物越来越朝着超高层建筑的方向发展，钢筋混凝土结构已经不能满足建筑效益、建筑结构、建设设计和某些特殊功能要求的需要。钢结构因为重量轻、强度高、塑性韧性好、制作简便，施工工期短而被广泛的应用于高层建筑上，现在的高层建筑结构也越来越向钢结构化方面发展。

1、高层建筑结构的受力特点

建筑结构所受的外力（作用）主要来自垂直方向和水平方向。在低、多层建筑中，由于结构层数少、平面尺寸较大，其高宽比很小，且结构受风荷载和地震影响也很小，故结构以抵抗竖向荷载为主。也就是说，竖向荷载往往是结构设计的主要控制因素。

在高层建筑中，首先，在竖向荷载作用下，各楼层竖向荷载所产生的框架柱轴力为：边柱N=wlH/2h，中柱N=wlH/h,即框架柱的轴力和建筑结构的层数成正比；边柱轴力比中柱小，基本上与其受荷面积成正比。就是说，由各楼层竖向荷载所产生的累积效应很大，建筑物层数越多，底层柱轴力越大；顶、底层柱轴力差异越大；中柱、边柱轴力差异也越大。

其次，在水平荷载作用下，作为整体受力分析，如果将高层建筑结构简化为一根竖向悬臂梁，那么由其底部产生的倾复弯矩为：水平均布荷载Mmax=qH2/2，倒三角形水平荷載Mmax=Oh3/3，即结构底部产生的倾复弯矩与楼层总高度的平方成正比。就是说，建筑结构的高度越大，由水平作用对结构产生的弯矩就越大，较竖向荷载对结构所产生的累积效应增加越快，其产生的结构内力占总结构内力的比重越大，从而成为高层结构强度设计的主要控制因素。

高层建筑结构的主要受力构件有剪力墙、框架柱、梁和楼板。剪力墙、框架柱足竖向构件，它们是形成结构抗侧力刚度的最主要构件，承担着整个结构的竖向荷载和绝大部分水平荷载；框架梁、楼板是水平构件，结构各楼层的竖向荷载通过楼板传至框架梁再传给竖向构件，同时，对结构抗侧力刚度也有贡献颇的框架梁．还和竖向构件一起承担整个结构的荷载水平荷载；次外，有些高层建筑结构还有斜向构件，它们对结构抗侧力刚度贡献很大，对构件之间的传力起着重要作用，除自重外，一般不直接受荷。

结构在水平阵风作用下，当振动加速度a超过0.015G时会使人的正常生活受影响，因为加速度α=A（2πf），当频率f为定值时，α与振幅A成正比，因此结构的侧移幅值的大小要受限制。过大的侧移易使隔墙、围护结构以及高级装修受损，地震或阵风引起的过大变形也会造成电梯轨道无法使用。结构过大的变形会引起结构的二阶效应，造成结构杆件产生附加内力，影响结构承载力。如果高层建筑采用的是钢结构，和普通的钢筋混凝土结构相比钢结构自身具有很强的变形能力，且在钢结构中采用的隔墙、装饰材料又多为较轻，采用的幕墙、悬挂板、铝板等变形能力较强，所以钢结构JGJ99-98标准中规定的限值标准要比钢筋混凝土结构规定的限制标准宽松。

2、高层建筑钢结构设计分析

高层建筑钢结构设计中，结构工程师应与建筑师紧密配合，要考虑建筑特点、功能、荷载性质、材料供应、制作安装等多种因素，择优选取利于抗震、抗风又经济合理的结构体系和平立面布置。常用的高层建筑钢结构体系有框架体系，双重抗侧体系（钢框架一支撑或剪力墙板体系、钢框架一混凝土剪力墙体系、钢管混凝土框架一剪力墙体系、钢框架一混凝土核心简体系）、简体体系（框简体系、简中简体系、桁架简体系、框筒束体系）和巨型框架体系。

无论采用什么结构体系，具体设计中都应使结构具有明确的计算简图、合理的传力途径、多道抗震防线，力求形成立体构件或尽量使结构能趋向于实现总体屈服机制。结构布置和设计中应尽量使结构具有以下几方面的特点，或注意考虑到以下一些原则。

1、使结构构件能形成立体化，在竖向构件布置时，尽量使由墙或密柱与深梁能组成简体或巨型柱，使结构单元形成不同力学特性的立体构件，构成在任何方向都具有较大的刚度与抵抗力矩的能力。

2、使柱或巨型柱周边布置，将柱沿平面周边设置使结构整体具有更大的抗侧和抗扭刚度。

3、使结构支撑化。在框筒结构体系中由于水平力作用下存在固有的剪力滞后效应，当功能需要加大柱间距时剪力滞后效应更易削弱结构的抗侧刚度，影响水平承载力，因此在框筒中增设支撑能强化框筒；当房屋四角有巨柱采用支撑使其形成立体支撑体系更有利于抵抗各向力，发挥其材料潜力。

4、园锥形能减小风载体型系数和增大抗侧抗扭刚度，特别在非地震区南风荷载起控制作用的高层建筑，采用园锥体型能节约材料经济性好。

5、选用高强、轻质材料，有条件时设置安装传感器、质量驱动装置等减振设置使其动力反应智能化。

6、应积极探讨将目前的整体结构分析、单个构件设计向整体结构分析、整体结构构件设计方向发展考虑，使各构件的承载力可靠度尽量一致。

7、用增大结构阻尼方法以减小结构加速度；用合理的几何平、剖面图形合理的墙板及构件连接方法来减小侧向位移，而不要随意采用加大柱截面的方法来提高抗侧抗弯刚度。实践证明外柱布置远离平面重心或芯筒，或使外柱沿建筑物全高向内全高度倾斜等方法均能有效地减小侧向位移值，用增加主梁的线刚度EI/L在框架中也能起到减少侧向位移的作用；而采用加大柱截面的方法来提高框架抗侧刚度其效果将很小且不经济。一般框架刚度通常取决于大梁刚度而不是柱的刚度，因为一般跨度和层高的建筑中柱的刚度比梁刚度已大很多。

8、在结构的平面与剖面设计中应尽量避免出现不规则体型。建筑的开间进深应尽量统一，框筒、墙、支撑的布置尽量对称。常用的框筒结构中为充分发挥框筒作用应严格控制房屋的高宽比，且内筒边长不宜小于相应外筒边长的1/3，框简柱跨不宜大于层高，框筒裙梁高度不宜小于800mm，框筒结构为矩形平面时其长宽比不宜大于1.5:1，否则应改用框简束体系。筒的墙面开洞面积宜小于50%墙面积，内外简之问的间距一般可取l0-16m，为了保证角柱具有足够的承载力，角柱宜为中心柱截面积的1.5 -2倍。一般还应该根据具体情况选用支撑，型钢混凝土墙板、竖缝钢筋混凝土墙板或钢板剪力墙等作为主要抗侧构件。注意应使支撑、剪力墙能沿高度竖向一致连续布置。边柱外柱应尽量使其参与结构整体抗弯以增加整个结构的抗侧刚度和承载力，在抗震设计中应注意使结构形式强节点弱杆件、强竖弱平、强压弱拉。柱的超载必须避免，屈服应控制在梁和支撑上，要多道传力途径，多道设防，适当增多结构的超静定次数。要避免水平刚度产生偏心和竖向刚度、强度的突变。节点连接应刚强，

3、在地震作用下建筑结构设计

地震时，由于地震波的作用产生地面运动，通过房屋基础影响上部结构，使结构产生振动，房屋振动时产生的惯性力就是地震荷载。地震波可能使房屋产生垂直振动与水平振动，但一般对房屋的破坏主要是由水平振动引起，因此，设计中主要考虑水平地震力。

地震荷载是惯性力，因此它的大小除了和结构的质量有关外，还和结构的运动状态有关，通常把结构的运动状态（各质点的位移、速度、加速度）称为地震反应。地面运动情况可以由地面加速度波形来描述，不同的地震、不同的场地、不同的震中距都会产生不同的地面运动。据观测，在岩石等坚硬地基中，地震波的卓越周期大约是0.1—0.3秒左右，而在深层软土地基中，其卓越周期可能达到1.5—2秒。这样的周期与一般的建筑物周期(0.3-3秒)相当接近，因而一般建筑物的地震反应比较明显，在达到一定震动强度时，很容易引起震害。一般情况下，结构较柔，周期加长时，地震力减小。高层建筑具有较长的自振周期，容易跟地震波中的长周期分量发生共振。且地震波在土中传播时，短周期分量衰减迅速，长周期分量则传播较远。大量震害表明：与低层建筑相比，高层建筑受地震影响的范围更广一些，振害后果也更严重一些，特别在软土地基上，更是如此。所以较确切地估计高层建筑的地震作用，是十分必要的。

4、结语

高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析，多做方案比较，建筑设计者必须从当今经济现状和发展趋势出发，建立一个合理的结构设计理念，合理确定建筑设计标准、经济性措施和原则，这样不仅满足设计各类需求，同时改善人类的居住环境。