分析高層建筑結構體系設計

【摘要】高層建筑結構的結構型式繁多，框架、剪力墻、框架一剪力墻結構體系是高層建筑結構中較為傳統的、廣為應用的結構體系。 正確處理高層建筑結構體系的選型問題，對于高層建筑結構設計而言，具有至關重要的意義。

【關鍵詞】高層建筑；結構設計；結構體系；特點

0.引言

高層建筑首先要選擇合適的結構體系，并針對具體情況加強設計施工質量的控制，另外必須在滿足國家設計規范要求的前提下，加強建筑結構地基設計，選擇合適的材料，才能提高建筑結構設計水平，確保設計質量不斷提升，以使結構設計工作做到更安全、更合理。

1.高層建筑結構體系的特點

我國《高層建筑混凝土結構技術規程》規定，10層或10層以上或者房屋高度超過28m的建筑為高層建筑物。隨著層數和高度的增加，水平作用對高層建筑結構安全的控制作用更加顯著，包括地震作用和風荷載。高層建筑的承載能力、抗側剛度、抗震性能、材料用量和造價高低，與其所采用的結構體系密切相關。不同的結構體系，適用于不同的層數、高度和功能。

1.1框架結構體系

框架結構體系一般用于鋼結構和鋼筋混凝土結構中，由梁和柱通過節點構成承載結構，框架形成可靈活布置的建筑空間，具有較大的室內空間，使用較方便。由于框架梁柱截面較小，抗震性能較差，剛度較低，建筑高度受到限制；剪切型變形，即層間側移隨著層數的增加而減小；框架結構主要用于不考慮抗震設防、層數較少的高層建筑中。在考慮抗震設防要求的建筑中，應用不多；高度一般控制在70m以下。

1.2剪力墻結構體系

利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結構，稱為剪力墻結構體系。剪力墻結構體系于鋼筋混凝土結構中，由墻體承受全部水平作用和豎向荷載。現澆鋼筋混凝土剪力墻結構的整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側向變形小，承載力要求也容易滿足；剪力墻結構體系主要缺點：主要是剪力墻間距不能太大，平面布置不靈活，不能滿足公共建筑的大空間使用要求。此外，結構自重往往也較大。當剪力墻的高寬比較大時，是一個受彎為主的懸臂墻，側向變形是彎曲型，即層間側移隨著層數的增加而增大。剪力墻結構在住宅及旅館建筑中得到廣泛應用。因此這種剪力墻結構適合于建造較高的高層建筑。根據施工方法的不同，可以分為：全部現澆的剪力墻；全部用預制墻板裝配而成的剪力墻；內墻現澆、外墻為預制裝配的剪力墻。在承受水平力作用時，剪力墻相當于一根下部嵌固的懸臂深梁。剪力墻的水平位移由彎曲變形和剪切變形兩部分組成。高層建筑剪力墻結構，以彎曲變形為主，其位移曲線呈彎曲形，特點是結構層間位移隨樓層增高而增加。

1.3框架一剪力墻結構（框架一簡體結構）體系

在框架結構中設置部分剪力墻，使框架和剪力墻兩者結合起來；取長補短；共同抵抗水平荷載，就組成了框架一剪力墻結構體系。如果把剪力墻布置成筒體，又可稱為框架一筒體結構體系。框架一剪力墻（筒體）結構比框架結構的剛度和承載能力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結構構件（隔墻及外墻）的損壞，這樣無論在非地震區還是地震區，這種結構型式都可用來建造較高的高層建筑，目前在我國得到廣泛的應用。

1.4筒體結構

單個筒體可分為實腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墻組成空間薄壁筒體，即為實腹筒；框架通過減小肢距，形成空間密柱框筒，即框筒；筒壁若用空間桁架組成，則形成桁筒。實際結構中除煙囪等構筑物外不可能存在單筒結構，而常常以框架一筒體結構、筒中筒結構、多筒體結構和成束筒結構形式出現。

1.5巨型結構

巨型結構一般由兩級結構組成。第一級結構超越樓層劃分，形成跨若干樓層的巨梁、巨柱（超級框架）或巨型桁架桿件（超級桁架），以這巨型結構來承受水平力和豎向荷載，樓面作為第二級結構，只承受豎向荷載并將荷載所產生的內力傳遞到第一級結構上。常見的巨型

結構有巨型框架結構和巨型桁架結構。

不同的結構體系所具有的強度和剛度是不一樣的，因而它們適合應用的高度也不同。一般說來，框架結構適用于高度低，層數少，設防烈度低的情況；框架一剪力墻結構和剪力墻結構可以滿足大多數建筑物的高度要求；在層數很多或設防烈度要求很高時，可用筒體結構。

2.高層建筑結構設計的基本要求

2.1結構的規則性

2.1.1不應采用嚴重不規則的結構體系，建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規則的設計方案。高層建筑不應采用嚴重不規則的結構體系，應符合下列要求：

（1）應具有必要的承載能力、剛度和變形能力。

（2）應避免因部分結構或構件的破壞而導致整個結構喪失承受重力荷載、風荷載和地震作用的能力。

（3）對可能出現的薄弱部位，應采取有效措施予以加強。

2.1.2高層建筑的結構體系尚宜符合下列要求：

（1）結構的豎向和水平布置宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部突變和扭轉效應而形成薄弱部位。

（2）宜具有多道抗震防線。

2.2規則結構的主要特征

建筑及其抗側力結構的平面布置宜規則、對稱，并應具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規則，結構的側向剛度宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變。規則結構一般指：體型（平面和立面）規則，結構平面布置均勻、對稱并具有較好的抗扭剛度；結構豎向布置均勻，結構的剛度、承載力和質量分布均勻，無突變。

2.3規則平面布置需滿足的要求

結構平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，受力明確，傳力直接，力爭均勻對稱，減少扭轉的影響。在地震作用下，建筑平面 要力求簡單規則，風力作用下則可適當放寬。抗震設防的高層建筑，平面形狀宜簡單、對稱、規則，以減少震害。在高層建筑的一個獨立結構單元內，宜使結構平面形狀簡單、規則，剛度和承載力分布均勻。不應采用嚴重不規則的平面布置。抗震設計的B級高度鋼筋混凝土高層建筑、混合結構高層建筑，其平面布置應簡單、規則，減少偏心。

3.高層建筑結構設計

3.1高層建筑結構的受力特點

建筑結構所受的外力（作用）主要來自垂直方向和水平方向。在低、多層建筑中，由于結構層數少、平面尺寸較大，其高寬比很小，且結構受風荷載和地震影響也很小，故結構以抵抗豎向荷載為主。也就是說，豎向荷載往往是結構設計的主要控制因素。

在高層建筑中，首先，在豎向荷載作用下，各樓層豎向荷載所產生的框架柱軸力和建筑結構的層數成正比；邊柱軸力比中柱小，基本上與其受荷面積成正比。就是說，由各樓層豎向荷載所產生的累積效應很大，建筑物層數越多，底層柱軸力越大；頂、底層柱軸力差異越大；中柱、邊柱軸力差異也越大。

3.2豎向荷載設計應減輕自重

高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意味著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層數，這在軟弱土層有突出的經濟效益。地震效應與建筑的重量成正比，減輕房屋自重是提高結構 抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了，不僅作用于結構上的地震剪力大，還由于重心高地震作用傾覆力矩大，對豎向構件產生很大的附加軸力，從而造成附加彎矩更大。

4.結語

近年來，高層建筑越來越多，在高層建筑設計中，采用先進的結構理論與精確的計算方法十分重要，掌握高層設計的要點是我們每個結構設計人員所必須的。在高層建筑設計中存在的問題難度系數大，不容小覷，唯有長期的觀察實踐來加以改進，達到逐漸完善的程度。