浅论对高层建筑结构设计探讨

李积云

【摘要】由于建筑工程的蓬勃发展，高层建筑的队伍不断壮大，对于设计的要求也就有所增加。本文从高层建筑的设计特点出发，以高层建筑结构设计理论为基础，得出了高层建筑的设计方法，并将钢结构的应用进行简单的介绍，最后讨论了高层建筑的抗震分析。

【关键字】结构设计高层建筑水平荷载 结构体系

一、高层建筑结构设计的特点

1、水平力是设计主要因素

在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着結构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

2、侧移成为控制指标

与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键凶素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与建筑高度H的4次方成正比（△=qH4/8EI）。另外，高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗推刚度，否则会产生以下情况：

（1）.因侧移产生较大的附加内力，尤其是竖向构件，当侧向位移增大时，偏心加剧，当产生的附加内力值超过一定数值时，将会导致房屋侧塌。

（2）.使居住人员感到不适或惊慌。

（3）.使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，使机电设备管道损坏，使电梯轨道变型造成不能正常运行。

（4）.使主体结构构件出现大裂缝，甚至损坏。

3、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。

4、轴向变形不容忽视

采用框架体系和框架——剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种轴向变形的差异将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁巾间支座沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。

二、高层建筑结构分析与设计方法

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（剪力墙、筒体、框架等）通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。由于对于精准的按照三维空间结构来分析高层建筑结构有很大的困难性，而各种实用的分析方法也都需要对计算模型引入不同程度的简化。通过大量数据的运算，我们制定了一些常见的基本假定：小变形假定；弹性假定；计算图形的假定；刚性楼板假定。

在框架-剪力墙结构中，内力与位移计算的方法非常多，但采用连梁连续化假定的比较多。由剪力墙与转角相等的位移或框架水平位移协调条件，可以建立外荷载和位移之间关系的微分方程来求解。因为考虑因素和采用的未知量的不同，各种方法解答的具体形式也就有所不同。对于框架-剪力墙的机算方法，一般都是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法来求解。剪力墙的变形状态与受力特性主要是取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为小开口整体墙、单肢墙、特殊开洞墙、联肢墙等各种类型。剪力墙结构的计算方法是平面有限单元法。但不同类型的剪力墙，它们的截面应力分布也就很不相同，在计算内力与位移时就应该采用相应的计算方法。筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效离散化方法、等效连续化方法和三维空间分析。等效离散化方法是把连续的墙体离散成等效的杆件，这就便于应用适合杆系结构的方法来分析；等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理；而利用三维空间结构来分析筒体结构体系，是目前较为精确的方法，其中应用最广的是空间杆-薄壁杆系矩阵位移法。

三、高层建筑中的钢结构体系

（1）钢框架剪力墙结构体系。这种体系中一般是在钢框架内采用内埋钢支撑的预制钢筋混凝土墙板或是带竖缝的钢筋混凝土抗震墙板。它可以和室内横隔墙结合布置形成房屋的主要抗侧力构件， 抗侧移刚度大。

（2）钢框架支撑结构体系。这种体系适用于抵抗小震或中震抗侧移刚度，足以承受侧向水平力。这种体系在钢框架中可以连接成支撑芯筒以获得较大的抗侧移刚度。有时还沿房屋进深和纵向布置或者沿房屋进深方向布置钢支撑。

（3）钢混凝土组合结构体系。这种体系采用方钢、钢管或是圆钢管。

（4）空间错列桁架结构体系。这种体系通常为15层--20层，但也曾用到35层--40层的建筑物中。这种体系是由跨度等于房屋总宽度，高度等于楼层高的桁架支撑在房屋外侧的纵列柱上，中间没有柱楼板分别搁置在左右桁架的上弦和下弦上，相邻上下层错列布置。所以它的纵向抗侧移刚度也很大。

四、抗震分析与设计在高层建筑的应用

为了满足地震作用下对结构的功能要求，我们在对高层设计时，有必要计算和研究结构的弹塑性变形能力。现代国内外抗震设计的发展趋势，结构弹塑性分析成为抗震设计的必要的组成部分，根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求来进行设计。

在我国高层建筑的抗震分析与设计中常见的问题有以下几种：首先是高度问题，对于高层的建筑物，我们应该采取科学谨慎的态度。随着建筑物高度的不断增加，很多影响因素都会发生质变，即一些参数本身超出现有规范的适宜范围，如延性要求、材料性能、安全指标、荷载取值等，在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏形态会发生很大的变化。其次是轴压比与短柱问题，在钢筋混凝土的高层建筑结构中，为了控制柱的轴压比而让柱的截面很大，但柱的纵向钢筋却是构造配筋。由于柱的塑性变形能力小，所以结构的延性就差，当遭遇地震时，吸收和耗散地震的能量少，结构就特别容易被破坏。第三是材料选用和结构体系的问题。在高层建筑中，我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%，然而国外特别在地震区，是以钢结构为主。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外也都还没有经受较大地震作用的考验。依据现在我国建筑钢材的品种、类型和钢结构的加工制造能力，应尽可能采用钢管混凝土（柱）结构、钢骨混凝土结构或钢结构，以减小柱断面的尺寸，并改善结构的抗震性能。第四，在一些烈度区采用了构造措施和较低的抗震措施。有人提出要在设防烈度下采用弹性设计，特别是高烈度区要有严格的抗震构造措施抗和震措施来保证结构的安全。现在不少专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要。

五、.结语

结构设计并不是一脉相承的死物。它随着我们社会的发展在不停的进步。人民对建筑物的安全性，实用性以及经济性的要求日益剧增。工程设计人员所一直遵循的各种规范也在一直补充修改。作为一个专业的工程设计人员不能墨守成规，要与时俱进。只要人类在不停的进步，我们工程设计人员就有学不完的课题。

参考文献：

[1]肖峻 高层建筑结构分析与设计[J]中化建设，2008，（12）.

[2] 傅学怡.实用高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.