高层建筑结构设计要点分析

王党生

摘要：随着我国城市建设的不断发展，以及建筑技术的成熟，高层建筑除了数量开始逐渐增多之外，建筑高度也在连渐增加，建筑风格也发生了很大的变化。因此，研究高层建筑设计的原则是非常有意义的。本文从高层建筑结构的特点展开分析，以高层建筑结构和高层建筑结构选型重点探讨，使之保证设计的质量，为高层建筑的质量打下坚实的基础。

关键词：高层建筑；结构设计；结构选型

1高层建筑结构的特点

1.1高层建筑抗震要求苛刻

高层建筑结构受到自身特性的约束，和一般建筑有很大程度的不同。它在承受建筑结构自身自重和活动荷载组成的竖向荷载同时，还要承受有外界由风压以及水平地震作用所产生的水平荷载。很多时候，高层结构还应该考虑地震发生时产生的竖向地震作用影响，由此可见高层建筑对于抗震能力的要求有多么苛刻。一般来讲，多层建筑结构在水平荷载和竖向荷载作用下，受到的影响有限，但是高层就不同了。在外界地震作用之下，高层建筑受到的結构破坏是毁灭的，而就风压方面而言，高层的外界风力也是多层所不能比拟的。随着建筑物高度的不断增加，高层建筑过大的侧移不会影响居住者的舒适程度，但是对于结构的影响很大，过大的侧移会损坏建筑的结构与非结构构件。鉴于此，在进行高层建筑设计的过程中，把侧移控制在合理的范围之内是重要的标准，这样才能在实用性和安全性方面得到平衡。因此，可以说，在高层建筑结构设计中的核心内容就是通过对外界地震作用以及风压作用的计算，做好抗侧力结构的设计。

1.2高层建筑混凝土结构相关规定

（1）高层建筑混凝土结构技术规程规定，10层和10层以上或房屋高度超过28m的建筑为高层建筑。

（2）民用建筑设计通则规定，以高度为24m、100m的住宅和公共建筑分别列为高层及超高层建筑，其防火要求不同。实际上结构没有确切的划分低层、中层和高层的界限，对于结构设计而言影响设计的重要因素——水平荷载及其效应是随高度而渐变的。低层、中层和高层建筑都要承受竖向荷载和水平荷载（风荷载及地震作用），其结构设计原理基本相同，但控制结构设计的因素不同；竖向荷载作用下的基底轴力与结构高度成正比，水平荷载产生的基底剪力与结构高度成正比；但水平荷载产生的总体倾覆力矩与结构高度平方成正比，而顶点侧移与结构高度四次方成正比。低层建筑有竖向荷载控制，高层建筑一般由水平荷载控制。图1为高层建筑物受力简图。

说明随着高度H的增加，起控制作用的底部弯矩和顶部侧移随之成平方和4次方增长。

由此可知，低层主要承受竖载；多层时同时考虑水平力（风载、地震力）但不很突出；高层时水平力影响成为主要控制因素。

1.3水平荷载成为决定因素

随着城市化进程的加快，城市中的工业发展十分迅速，并且大量的人口涌入城市，在对城市发展做出贡献的同时，也对城市的发展造成了一定的压力。因为城市中的土地资源是有限的，而人口却在逐渐的增长，所以土地资源十分珍贵。为了满足人们的需求，建筑的高度在逐渐的增加，越来越多的高层建筑、超高层建筑出现在人们的视野中。在高层建筑的结构设计中就要对水平荷载进行充分的考虑，随着楼层的增加，水平荷载所产生的作用力也将越大，所以在考虑抗震性的同时要对水平荷载给予重视。并且水平荷载也越来越成为结构设计中的决定性因素。

1.4抗震设计要求更高

抗震设计是每个建筑在进行结构设计中都要考虑的问题，但是对于高层建筑而言就要提高标准。因为高层建筑无论是在高度上还是在荷载的承受力方面都具有非常高的强度，所以要比普通建筑的标准提升很多，具有良好的抗震性能。

1.5高层建筑结构设计中的侧移和振动周期

结构自振周期高层建筑的自振周期（T1）宜在下列范围内：框架结构：T1=（0.1-0.15）N框一剪、框筒结构：T1=（008-0.12）N剪力墙、筒中筒结构：T1=（0.04-0.10）N，N为结构层数。

结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内：第二周期：髓=（1/3-1/5）T1；第三周期：T3=（1/5-1H）T1。

共振问题当建筑场地发生地震时，如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近，建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期，通过调整结构的层数，选择合适的结构类别和结构体系，扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别，避免共振的发生。

1.6延性是非常关键的设计内容

比对那些层数比较低的建筑体来讲，高层的结构具有更多的柔性意义，当受到地震影响的时候，它的变形更厉害。为保证结构能够有优秀的变形水平，防止塌陷现象发生，要重点在构造上使用优秀的方法，以此来确保其有着非常好的延性特点。

2高层建筑结构的分析

2.1高层建筑结构分析的基本假定

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、简体等）通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。想要完全利用三维结构作为研究的全部依据很不容易，各种方法都是为了更方便简化的完成模型计算，以下是通常能有效利用的假定。

2.2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变。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采。

2.3小变彤假定

小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题（P-A效应）进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移△与建筑物高度H的比值A/H>1/500时，P-△效应的影响就不能忽视了。

2.4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。此时仍接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。

2.5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。

2.6计算图形的假定

高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：一维协同分析。使用这一办法，只注意侧力构件与位移自由之间的协调，并利用水平力的推动下，把复杂的结构简单地看作是被水平力推动的抗侧力所影响的平面，依据对刚性楼板进行的假定，一个楼面内所存存在的构件标高构件移动相似，可以看作是等值，用这一办法能够创建一维方程，而受到扭矩的影响，要依照同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同分析方法被使用的几率很大，各种形式都有所利用。

二维协同分析。二维协同分析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作，同时计算；扭矩与水平力同时计算。在引入刚性楼板假定后，每层楼板有三个自由度u，v，o（当考虑楼板翘曲是有四个自由度），楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。剪力楼板位移与其对应外力作用的平衡方程，用矩阵位移法求解。二维协同分析主要为中小微型计算机上的杆系结构分析程序所采用。

三维空间分析。二维协同有所缺陷，对位移和力的考虑并不全面，并且，对刚度以及扭转刚度等的空间筒体的处理是不算精确的，三维空间所表达的内容有所增大，自由度按照理论原则的不同可以分别产生6～7个，同时，对于翘曲等问题也考虑在当中，使得对问题的反应更全面更立体。

3高层建筑结构选型

3.1高层建筑结构体系选型

在高层建筑施工的过程中，其施工工艺十分重要，不仅对建筑的质量、进度和工期有所影响，同时还会影响到建筑结构承受荷载的能力以及抗震性的强弱。所以说在对高层建筑的结构体系进行选型阶段，要对施工工艺给予一定的重视。

3.2剪力墙结构体系

在剪力墙结构体系中，剪力墙作为承重构件不仅承受竖向荷载和风产生的水平荷载，还需要具备抵抗地震作用的能力。剪力墙沿横向和纵向正交布置或斜交布置，它的主要特点是刚度大、用钢量少、空间整体性好。在高层住宅中，由于房间面积一般不大，而且分隔墙较多，用户对建筑没有大空间的要求，可以将剪力墙与分隔墙合二为一，降低了建筑物的造价，节约成本。同时剪力墙可以隐藏在填充墙中，使房间不露梁柱，使建筑达到很好的整体美观效果。因此，剪力墙结构受到开发商和业主的广泛欢迎，使得该结构体系在高层住宅中得以广泛应用。

3.3简体结构体系

凡采用简体为抗侧力构件的结构体系統称为简体体系，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粱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。

4结束语

高层建筑的结构设计是一项技术性很强的综合性工作，是整个建筑质量的最基础保证。随着经济水平的迅猛发展及科学技术水平的不断提高，高层建筑的形式、材料、力学分析模型都将日趋复杂多元，为此随着我国国力的的不断增强，我们不仅应该借鉴外国先进的建筑技术，更加应该注意密切结合我国的具体国情。这样，我们必将能走出一条具有中国特色的高层建筑之路。