高层建筑结构设计及某工程结构选型探讨

陈维

摘要：我国经济的快速发展伴随着综合国力的加速提升，与此同时，也加快了我国房地产向前迈进的步伐，建筑行业的兴起促进我国支柱产业的不断壮大。基于此，本文主要针对高层建筑结构设计及某工程的结构选型进行了探讨。

关键词：高等建筑;结构设计;结构选型

前言

社会的高速发展推动了人们生活水平不断改善，也决定了人们对建筑方需求不仅仅停留在单纯生存住房需求，对建筑结构设计方面的要求也日渐高涨。建筑结构在初期设计优化方面需要考虑多层次要求。很多建筑公司在进行高层建筑的时候比较注重实际的结构计算和设计，对初期的概念设计反而缺乏关注，我们必须避免这种头重脚轻的行为。对高层建筑结构如何选型是众多工程师首先要面临的问题，一般来说，我们在根据一定规律的基础上结合建筑的安全性、适用性、经济效益以及对充分考虑施工安全可能造成的影响选择合适的结构选型。因此，对高层建筑的结构体系进行合理的选型是高层建筑结构设计中的首要任务。

1.高层建筑结构的特点及设计

1.1 高层建筑结构的特点

高层建筑对结构的要求比较严谨，它需要承受来自风产生的水平荷载、垂直荷载以及抗震能力。高层建筑在结构上对水平荷载和地震作用的要求都要高于低层建筑。位移也会随着建筑高度的增加而加快大，这对居民的使用势必造成一定影响，给人不安全感。为此，建筑在设计抗侧力的同时要考虑到位移的结构，两者必须控制在规定范围之内。

1.2高层建筑结构设计

（1）框架—剪力墙体系。高层建筑结构设计中对框架—剪力墙结构内力和位移的计算方法主要以连梁连续化假定为主。位移的协调条件的计算需要建立在对剪力墙与框架水平位移或者转角相等的基础上，通过位移建立和外荷载之间的微分方程来进行求解。由于计算过程有太多不确定的未知量加上考虑的因素比较多，不同的解答对应的结果也各不相同。（2）剪力墙体系。剪力墙的受力和变形特征和状态是由剪力墙的开洞情况来决定。单肢墙和特殊开洞墙都属于单片剪力墙，根据受力特性的不同进行区分。内力与位移计算时需要根据不同类型的剪力墙的截面应力分布采取不同的计算方法。平面有限单元法计算结果比较准确，是剪力墙的结构计算中常用的方法。然而缺点在于，这种计算方法自由度较多，各方面花费较高。在实际应用中人们更愿意选择特殊开墙。（3）筒体结构。筒体结构的分析方法按照以分为以下三大类：等效连续化、离散化方法和三维空间分析。综上所述，三维空间方法是目前的工程上采用最多的计算机模型，和其他方式相比它更具有优越性和精确性。

2.某工程结构选型分析

2.1 工程概况

将某写字楼设计为高层建筑是某工程项目的主要功能。业主希望写字楼空间大、结构安全、价格经济合理，而城市规划主管部门提出了一定的条件和要求，经过多次跟业主协商，最后敲定为28层综合电梯楼，项目总占地面积约25000m2，主入口利用地形高差设置在主干道中兴路，整个结构没有设置地下室，建筑平面主要以规则对称的井字型，下部吊2层，其他楼层层高控制在3.3m，建筑高度和结构高度分别在93.8m和92.4m。为了满足办公建筑的所有建筑功能要求，在结构体系的选择上面则需要对框一筒结构体系和剪力墙结构体系这两种体系进行比较分析，通过对建筑高度、抗震、高度以及经济性上面的综合比较进行合理选择。

2.2 计算参数的设定

此次工程抗震设防烈度和设防类别分别为6度和丙类，地震分组和基本加速度設计分别为第一组合0.05g。本工程的建筑场地为I类场地，属于A级高度建筑，在抗震构造措施方面要求按照本地区的抗震设防烈度，其中剪力墙和框架柱结构的抗震等级都为三级。另外在水平地震影响系数和场地特征周期具有一定的要求，他们必须分别在最大值αmax= 0.04和周期Tg=0.25s，并保持β=2.25的放大系数和0.40kN/m2基本风压，地面的粗糙度控制在D类，工程楼面活荷载标准值由荷载规范进行取值，其他要求均按照 《建筑结构荷载规范》GB50009-2001的规定，包括风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数进行有效控制。

2.3 计算结果分析

2.3.1 结构体系对建筑使用功能的影响

电梯、楼梯间及设备管线井道四周布置的钢筋混凝土墙是整个项目框一筒结构体系的核心筒重要部分。一般来说，核心筒平面尺寸的大小影响着整个结构的受力和抗侧刚度。服务性用房面积会随着核心筒的增大而增大，相反从建筑使用角度来看建筑的使用面积却在减小。另外，建筑的使用也会受到高层结构的框架架柱截面的大小的影响，框架柱截面越大意味着使用的空间越大，为了满足办公建筑多方面的需求，需要对建筑平面和造型进行灵活布置。为了不影响各个房间的功能使用，在剪力墙结构体系中需要对隔墙的位置固定到位。房间内减少了柱、梁等其他非标构建，在装修方面不仅有利于美观，也方便其他室内家具的摆放。框一筒结构体系在适应建筑功能方面比剪力墙结构体系更能满足更多现代化办公建筑的需求。

2.3.2 结构体系对结构受力合理性的影响

由于地震以及风荷载作用下框一筒结构体的最大层间位移都会出现在第16层，层间位移偏差不大。另外受到水平荷载的影响，框架一核心筒结构会出现侧向弯曲或者剪力变形，其中侧移曲线和弯曲型杆件的侧移曲线相接近。各楼层盖水平刚度受到约束后，框架一核心筒体系中的框架侧移和核心筒现象一致，在一定程度上改善了构件上下层间侧移角严重不均匀的情况，与单一结构体系的纯框架、纯剪力墙结构整个结构相比，他们的等强设计和满足变形要求具有一定的优越性。刚度较大对剪力墙结构体系的侧移影响比较小。在房屋层数比较少的工程中采用纯剪力墙结构，当墙体的高宽比值在1以下，在水平荷载的影响，墙体侧移曲线容易出现剪切变形，然而一般不会出现明显的弯曲变形。而相反情况下，房屋层数一旦增加，墙体的高宽比值在4以上，墙体受到水平荷载的影响侧移曲线大多数出现弯曲变形侧移，剪力变形逐渐减少，另外，当墙体的高宽比值介于以上两种数字之间，此时墙体出现剪切变行和弯曲变形的概率等同，侧移曲线则多为剪弯型。由此可知，为了保证两种结构形式在保持良好刚度的基础上，在地震和风荷载的作用下不会出现明显的位移，需要对整个建筑进行合理的设计。

2.3.3 结构体系对结构经济性的影响

高层建筑的投资过于庞大，为了控制成本;为了建筑早一点交付使用，更早的取得经营收入;为了缩短资金的使用周期，将资金的时间价值控制最低;通常都需要尽量缩短结构的施工周期。通常选择的结构方案前期投入可能更多，但如果能缩短施工周期的话，那就一定是最经济的方案。从数据分析得出两种法案大体差不多，无论是内力、位移还是周期，但是剪力墙结构体系对于框一筒结构体系混凝土用量高，在单方造价上有很强的竞争力。

3.结束语

目前国内外的专家和学者都非常重视高层建筑结构设计以及选型，但只是基于理论上的研究，具体还没有通过实际应用。高层建筑行业在结构选型的时候有着以下特点：复杂、很强的综合性、大量的不确定性。为了更方便高层建筑结构选型，通常会研究并建立充分的智能型优化方案，如专家系统智能高层选层方法以及知识发现智能选型方法。

参考文献：

[1]贺杨，张永胜.高层建筑结构优化设计[J].山西建筑，2012，38（5）：34-35.

[2]林雪.高层建筑结构设计及某工程结构选型探讨[J].建材与装饰，2013，16（7）：67-68.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50009-2001高层建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.