简析高层建筑结构设计

高积顺 申健

摘要：随着我国经济的讯速发展，我国高层建筑快速发展，建筑结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度,高层建筑结构设计也显得日益重要和紧迫。本文结合作者多年的工作实践经验，从高层建筑结构设计中的特点出发，探讨了在高层建筑结构设计中应注意的三个问题。以供读者参考。

关键词：建筑；结构设计, 高层建筑

Abstract: with China's economic news fast development, China's rapid development of high-rise building, building structure design is a systematic and comprehensive work, need solid theoretical knowledge foundation of basic skills, flexible innovation thinking and serious responsible attitude, high building structural design also appears increasingly important and urgent. This paper combining author's working practice experience, from the design of high-rise building structure characteristics, the paper discusses the structure design of high-rise building three problems that should be paid attention. To provide reference for readers.

Keywords: architecture; Structure design, high-rise buildings

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

一、高层建筑结构的特点

结构要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑建设的各项事宜等。其主要特点有：

1、水平荷载成为决定因素

任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，但水平荷载却起着决定性的作用。随着高层建筑层数的增多，水平荷载成为结构设计中的控制因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中产生作用，而水平荷载也对结构产生倾覆作用，并由此产生高层建筑在竖构件中的作用力；另一方面，对高层建筑来说，竖向荷载和地震作用，也随建筑结构动力特性而发生大幅度的变化。

2、抗震设计要求更高

有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。

高层建筑结构的分析

1. 轴向变形不容忽视对于高层建筑结构，由于层数多，高度大，轴力值很大，沿高度积累的轴向变形很显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改變。对连续梁弯矩的影响：由于中柱和边柱的轴向压缩变形不同，往往会使连续梁中间支座处的负弯矩值及跨中正弯矩值和端支座负弯矩发生变化。对构件剪力和侧移的影响，在考虑竖向杆件轴向变形与不考虑竖杆件轴向变形相比较，各构件水平剪力和侧移都会产生很大的误差。由此可见，在进行高层建筑结构设计时，构件的轴向变形必须列入到设计考虑的范围中来。

2、弹性假定

目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况，但是在遭受罕见地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，结构进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态，应按弹塑性动力分析方法进行设计。

3、刚性楼板假定

许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构的自由度，简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论提供了便利。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或层数较少等情况，会使楼板变形较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。

三、高层建筑结构选型

3、1高层建筑结构体系选型

高层建筑施工工艺的不同，不仅会影响到材料消耗、劳动力、工期及造价等技术经济指标，而且也会影响到建筑结构的受力状态，抗震性能等。所以在高层建筑结构体系选型时就要对施工工艺连同其它因素加以权衡，综合考虑。

3、2剪力墙结构体系

剪力墙结构中竖向承重结构全部由一系列横向和纵向的钢筋混凝土剪力墙组成，剪力墙不仅承受重力荷载作用，而且还要承受风，地震等水平荷载的作用。同框架结构相比，该结构测向刚度大，侧移小，属于刚性结构体系。从理论上讲，它可建造上百层的民用建筑（如朝鲜平壤的柳京大厦）；但从技术经济的角度来讲，地震区的剪力墙一般控制在35层，总高110米为宜。由于剪力墙的间距比较小，一般为3~6米，所以建筑平面布置不够灵活，使用受限制。

3、3筒体结构体系

凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，包括单简体、简体一框架、简中简、多束简等多种型式。简体是一种空间受力构件，分实腹简和空腹简两种类型。实腹简是由平面或曲面墙围成的二维竖向结构单体，空腹简是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。简体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

四、高层建筑结构设计应注意的问题

1、提倡节约

我国是发展中的国家，还是要尽量提倡节约， 目前我国规范中的构造要求，并非都比外国低。有的已经超过。外国大企业在北京买了按我国规范设计的大楼，说明我国规范不是进不了国际市场。现在对安全度进行讨论，应注意不要引起误导，千万不要误解提高建筑结构安全度建筑物就安全了，造成不必要的浪费。实践已经证明，现行规范安全度是可以接受的，这是重要的经验，不能轻易放弃。但考虑到客观形势变化，国家经济实力增强和住宅制度改革现状，可以将现行设计可靠度水平适当提高一点，这样投入不大，却对国家总体和长远利益有利。

2、考虑受力性能

对于一个建筑物的最初的方案设计，建筑师考虑更多的是它的空间组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。

3、提倡使用概念设计

所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题巾，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的经济可靠性能。同时，也是判断计算机内力分析输LH数据可靠与否的主要依据。

五、结束语

结构设计是一项对国家建设有重大意义的工作，同时，亦是一门实用性很强的工作,但从设计质量方面来看却不容乐观，多数设计追赶流行时尚，因此在实际中应考虑长远因素。设计人员要从一个个基本的构件算起，做到知其所以然，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计。提高民用建筑结构设计水平，确保建筑设计质量不断提升，以使民用建筑的结构设计工作做到更安全、更合理。

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