高层建筑结构形式设计的探讨

2011-12-31关静

中国新技术新产品 2011年13期

关键词：高层侧向剪力墙

关静

（中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦 124010）

在高层建筑施工过程中，高层建筑的结构设计在工程完成的是否完美上扮演者重要角色，下面我们通过对高层建筑的解读来了解一些有关内容。

1 高层建筑结构设计的特点

1.1 结构形式多元化

传统意义上的高层建筑结构形式包括剪立墙结构、框架结构、筒体结构、异型柱结构等，而伴随着建筑功能的不断改善，结构设计形式的日趋变化，促使传统结构形式不断变化更新。新的结构形式在一定程度上弥补了普通框架结构的缺点，因而受到设计师、开发商的认可。

1.2 水平荷载起重要作用

现代高层由于其高度不断增加，功能日渐增多，使楼顶对地基的重力荷载随之增加，而楼房的自身承重和楼面的负载在竖向构件中所引起的轴力和弯曲数值，只与楼身的高度的一次幂成正比；而水平承载在对结构产生的倾覆力及其在竖向构件中引起的轴力，与楼身高度的二次幂成正比。由此可见，水平荷载在高层建筑的结构设计中起着举足轻重的决定性作用。

1.3 侧向作用是主导因素

高度的增加，功能的增多，高层的侧向荷载对建筑物作用的效应又不是简单的线性的关系，这与较低建筑不同，结构侧向作用是高层结构设计的关键所在。因此，结构设计必须控制好侧向位移。

1.4 结构延性不容忽视

有别与普通建筑，高层建筑结构上的延展性更大一些，在地震等灾害的破坏作用下的变形性更大一些。为了使建筑结构在遇到灾情变形后仍拥有较强的延性，避免倾塌，所以需要在结构设计上采取适当的措施确保楼房自身具有足够的延性。

1.5 轴向变形也很重要

高层建筑中竖向力的数值较大，能使柱中产生较大的轴向变形，继而影响梁弯矩，这样会使连续梁中间支座的承弯矩值降低，使建筑中柱与梁承受的压力变小，所以轴向变形对高层建筑来说不可缺少。

2 高层建筑结构形式设计的分析

2.1 高层建筑的转换层设计

现代社会高层功能的要求是多方面，例如：一栋建筑物的上中下各部功能并不相同，上部为居室或办公，下部为大空间的商业房屋，此时结构设计应做相应调整。所以在结构形式设计中必须设置转换层来荷载上部框架结构或剪力墙结构。对于转换层支撑体系要做到：可靠与安全，方便与合理和功能全等要求。

2.2 高层建筑的选型设计

建筑工程的选型对建筑结构的安全及使用时间的长短有着至关重要的作用，正确合理的选型设计是高层建筑顺利竣工的核心之一。首先，选择流线型设计，其型体系数相对较小，对楼房的抗风作用大。其次，在结构的平面设计时，要保持平面形状与刚度的平衡与匀称，这有利于力学的均匀和结构的平稳。

2.3 高层建筑的剪力墙设计

现代高层建筑的结构设计多为剪力墙和框架——剪力墙。剪力墙结构由于承受竖向力和水平力的能力较大，所以剪力墙适用于建造更高、楼层更多的建筑。剪力墙的优点是整体性能优，侧向成控好，水平作用下变动不大，适用于居民住宅、小型宿舍等。其缺点是不利于大空间的房屋设计，并且结构延性弱。

在高层建筑的剪力墙设计中，不容忽视的是底部加强，是为了承受任意方向的水平力或地震所带来的冲击力，所以大型的平面设计，在横竖方向都应该做剪力墙设置，对圆形平面来说，剪力墙应按照径向和环向做设置。对于地震带或地震多发区的建筑来说，框架——剪力墙结构其结构具有两道防线即剪力墙与框架，利于防震。但框架——剪力墙结构也有缺点，由于要满足功能的要求，剪力墙的设置位置往往要受到限制，会经常出现刚心、质心分离，产生偏心扭矩现象，与此同时，其侧向刚度值偏小，房屋的建造高度将受到限制。

2.4 高层建筑结构中参数的计算

伴随着日新月异的计算机技术的改革与创新，计算机软件频繁的应用在建筑设计中。但是，机器操作并不能代替人的工作，所以在建筑结构设计的计算过程中，要对计算和分析做出充分的认识，准确应用计算机软件进行深入透彻的研读分析。结构计算所包括的结果有：楼层地震剪立系数、楼层的侧向刚度比、楼层弹性层间位移等等，设计者要依据工程整体要求，选择合适的软件进行模拟创建，在结构设计的参数计算时，设计者应制定合理的结构方案，计算出正确的抗震剪力系数和防裂度，正确选取参数值，对最终的施工起到了基础性的作用。总而言之，结构设计过程中要认真的计算与分析各项参数是否合理，确保绝对可行才可实施。

2.5 高层建筑外部尺度的设计

高层建筑与城市环境在尺度上是统一的，须注重高层布置对城市轮廓线条的影响，因为在城市轮廓中作用最大的是建筑物，尤其是高层建筑物，所以要注意其布置所应遵循的原则：第一，高层聚集于一处，形成城市的突出点，但其间不免相互干扰，为了避免其干扰，可采用相仿高度，彼此间距的方式来构建。第二，高层建筑的顶部应尽量避免类似或相同，这样会是城市轮廓线的美感大打折扣。第三，同一高层建筑形象设计时，应考虑建筑物的城市尺度，整体尺度，街道尺度等，在任意尺度的设计过程中要遵守尺度的统一性，使建筑成为和谐的统一体。

2.6 高层建筑的整体设计

高层建筑通常作为城市的代表和象征，它是衡量一个城市经济发展水平的晴雨表，因此，高层设计选择造型是关键，但由于其结构形式的限制及使用功能的限制，设计上又不能有太多的变化，有的高层甚至不加修饰。高层建筑的主体是塔楼，塔楼的外在形式对高层建筑的造型起着关键性的作用，现如今国内外的许多高层建筑都有鲜明的外观和易于辨认的识别性，这对于一个城市来说，好的高层建筑是其名片，这也可以理解为高层建筑存在的原因之一。

3 高层结构设计的注意事项

3.1 结构的周期折减系数

在对高层结构设计中的周期分析中，易被忽视的是非结构的砌体填充墙的影响。很明显，非结构性构体的影响应考虑到周期的折减系数范围内，同时不同形式的填充墙和不同的结构类型也对周期折减系数的取值起了决定性作用。这应考虑到。

3.2 振型数目的选择

一般情况下，对于那些规则的高层，选择其前三个阵型计算就足以符合计算要求，在分析时，要根据规范的要求对计算的结果做判断。但对于不规则的高层来说，局部振动的存在是必然的，这需要根据具体而实际的振动来进行选择，确定阵型数目的取值。

3.3 明确多塔之间的藕联计算

在设计高层结构时，主塔与群塔的藕联体系是一种非常常见的结构形式，下面按其受力的特点进行计算。无论是将结构看做整体还是人为的分开计算，都符合力学要求的基本规定。但一些设计师、工程师为计算的方便经常分开计算，这样当多塔刚度相差较大时，两者间就产生了“藕联效应”，此时，若忽略了就会在塔楼的计算中产生较大的误差，继而导致结构中的安全隐患。