高层建筑结构设计特点分析

周玉明

摘 要：建筑的高层化和多样化发展，使得建筑结构设计方面的变化越来越多。面对建筑类型、功能、数量的不断增加，高层建筑结构体系的多样化，高层建筑结构设计迎来了新新的机遇与挑战。合理的结构设计理念，合理确定建筑设计标准、经济性措施和原则，这样不仅满足设计各类建筑的需求，同时也改善了人类的居住环境。本文论述了高层建筑结构设计的特点。

关键词：高层建筑；结构；设计特点

1 高层建筑结构设计特点

结构设计在整个高层建筑结构设计中所占的比重比非高层建筑结构设计要大得多，其作用也更为重要。不同的建筑结构体系直接关系到建筑整个设计高度、建筑立面与平面的处理与布置，甚至会影响整个建筑施工方案、施工周期的设计与安排、可以说起对建筑工程的各个环节都会产生一定的影响。以建筑结构体系的受力特点为基础，相关设计人员在高层建筑结构设计过程中主要应该考虑建筑垂直負荷、水平负荷以及侧移能力三大方面。

1.1高层建筑结构的垂直负荷分析

高层建筑结构所受垂直负荷影响多存在于框架-剪力墙结构体系中。对于非高层建筑，其轴向力对建筑本身影响较小，同时剪切力也可忽略不计，只需考虑建筑自重对支撑墙的弯矩作用即可。高层建筑在建筑高度、建筑楼层上都远高于低层建筑，因此高层建筑自重大，其垂直方向负荷也大，轴向变形受建筑高度影响大，弯矩作用明显。对于框架体系或者框架-剪力墙建筑结构体系而言，当楼层建筑高度超过一定值的时候，轴线压应力对框架中柱的影响超过对框架边柱的影响，中柱轴向变形明显，造成的直接后果就是中柱下沉，进而引发建筑横梁中间的支座处的负弯矩值缩减，而横梁两侧的负弯矩值则会增大。此外，预制建筑构件的下料长度同样取决于建筑横梁等构件的轴向变形大小，而轴向变形还会对建筑构件的抗剪力与侧移能力造成破坏，带来安全隐患。

1.2高层建筑结构的水平负荷分析

不论高层建筑还是低层建筑，其本身都同时承受着来着垂直方向的负荷与水平方向的荷载，不同于垂直负荷，水平负荷可能来自建筑的任何方向，因此水平载荷是高层建筑结构设计的关键因素。对于低层建筑，水平方向负荷对其影响较小，不会对其产生具有破坏性的内力与位移变形，或者结构损坏，其结构设计主要集中在以重力为主要作用力的垂直负荷控制的结构设计上。高层建筑则不同，因其建筑高度与楼层增多的缘故，除了垂直方向负荷变大之外，其受到风力等外部水平作用力的影响更大，这主要取决于两个方面的考虑，一方面，建筑高度与楼层增加带来的荷载变化对建筑结构尤其是竖构件的轴向作用与弯矩作用增大，且其关系为正相关性，水平荷载则会对建筑结构构件产生倾覆力矩，并与垂直方向轴向影响叠加，放大对建筑结构的破坏，这种毁坏性是与建筑高度之间呈二次方正比的关系，另一方面，水平方向外部作用力，如轴向载荷、风力或者地震等，方向与数值变化快而多，对高层建筑而言，其结构动力特性会随着外部作用力的变坏而产生大幅度的变坏，因此，在高层建筑设计中，水平载荷是其结构设计中的决定性因素。

1.3高层建筑的侧移能力分析

除了对高层建筑结构水平荷载与垂直荷载能力进行分析研究之外，还应当对其结构侧移能力进行控制与承载的计算分析。建筑高度与楼层数的增加，会引起建筑结构组成构件的侧向变形，其侧向变形增加速度约为建筑高度的四次方倍。建筑结构尤其是竖向构件，在发生结构侧移时将会产生附加内力，导致建筑重心改变，当侧移数值超过建筑结构侧移极限时，结构就会变形甚至断裂，对室内居住人员，会引起其恐慌，对建筑内饰则会造成损坏或者室内电气设备、管道开裂，严重时会致使建筑结构出现大裂缝，最终导致建筑坍塌。

2 高层建筑的结构体系

2.1框架-剪力墙体系

当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架-剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架-剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架-剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

2.2剪力墙体系

当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架-剪力墙体系。

2.3筒体体系

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体-框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒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。筒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。

因此，在高层建筑结构设计中，不仅要保证结构的强度与结构抗推刚度，还需要将高层建筑的侧移数值控制在规定的安全区域内，这就要求设计人员必须综合考虑建筑材料的应用、新型建筑形式与结构体系的研究，确保建筑结构在受到水平荷载时不会发生侧移过度，保证居民的居住舒适度与安全度。

3 结语

高层建筑的建设发展速度很快，如果设计时单一从质量上考虑分析，其结果是不完善、不理想的。因为在高层建筑的结构设计工作中，不能够仅仅单一的重视结构计算工作的准确性，忽略整个结构方案在实际施工中的应用情况也不行。应该设计出更加合理的结构方案，以便选择；应该根据工程的实际情况来进行具体的分析，并利用自身所掌握的知识和经验对实际建筑设计中遇到了各种问题进行适当的处理，以达到工程设计、施工的全面质量优化、结构设计合理，且安全可靠，造价经济。

参考文献

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[2]寇福立，田明，王春明.高层建筑结构选型分析[J].河北建筑工程学院学报，2011

[3]朱华冬，姜百惠.高层建筑中嵌固端的位置选择[J].现代营销（学苑版），2011

（作者单位：江苏中珩建筑设计研究院有限公司）