淺析高層建筑結構設計要點

摘要：高層建筑結構設計是針對高層建筑特性的建筑結構設計，是在滿足安全、適用、耐久、經濟和施工可行的要求下，按照相關設計標準，對建筑結構進行總體布置、技術經濟分析、結構的受力分析計算、構造和制圖工作，并且尋求優化的過程。本文主要針對高層建筑結構設計要點進行總結，分別闡述了框架體系、剪力墻體系、框架—剪力墻體系、筒體體系的特點和優勢。確定合理的結構方案、采取正確的計算模型分析計算、嚴格執行規范要求、細心繪圖才能保證設計的正確性、準確性，保證工程的安全性，提高工程質量。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；剪力墻；靜力分析

1 高層建筑的工程特點

高層建筑指超過一定高度和層數的建筑。《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3-2010規定10層及10層以上或房屋高度大于28米的住宅建筑以及房屋高度大于24米的其他高層民用建筑混凝土結構為高層建筑。高層建筑可節約城市用地，縮短公用設施和市政管網的開發周期，從而減少市政投資，加快城市建設。

高層結構由于其高度所導致一系列與普通建筑結構不一樣的地方：自重大，對材料強度和豎向構件截面直接相關；由于其抗震要求，對結構的延性有更加嚴格的要求，需要通過控制軸壓比等措施來實現；對風荷載更加敏感，且頂端在風荷載作用下有較大位移，對舒適度需要進行校核。

2 高層建筑的結構體系

就我國目前高層建筑的結構體系來看，主要有：框架結構、框架—剪力墻結構、剪力墻結構、框支剪力墻結構、筒體結構等。

框架結構，是由縱梁、橫梁和柱組成的結構，這種結構是梁和柱剛性連接而成骨架的結構。框架結構的優點：強度高，自重輕，整體性和抗震性好，柱網布置靈活，便于獲得較大的使用空間，施工簡便，較經濟；框架結構的弱點：抗側移剛度小，側移大，對支座不均勻沉降較敏感等。根據受力分析，框架房屋高度增加時，側向力作用急劇地增長，當建筑物達到一定高度時，側向位移將很大，水平荷載產生的內力遠遠超過豎向荷載產生的內力。一般適用于10層以下、以及10層左右的房屋結構。

框架—剪力墻結構，又稱框剪結構，框架-剪力墻結構體系是指由框架和剪力墻共同作為豎向承重構件的多（高）層房屋結構體系。由于剪力墻本身具有較好的強度和剛度，因此，在框架體系的強度和剛度達不到建筑使用需求的時候，往往會在框架縱、橫方向的適當位置設置若干剪力墻。在這種結構中，框架與剪力墻共同受力，剪力墻承擔絕大部分水平荷載，框架則以承擔豎向荷載為主，框架-剪力墻結構體系充分發揮了框架和剪力墻各自的特點，既能獲得大空間的靈活空間，又具有較強的側向剛度。所以這種結構形式一般用于寫字樓、商住樓、酒店以及某些工藝用房。框架一剪力墻結構，一般用于25層以下房屋結構。

剪力墻體系是受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成的一種體系。其不僅能夠承擔結構中水平構件所產生的豎向荷載，而且還能夠承擔水平荷載。剪力墻本身具有較高的強度和剛度，同時具有一定的延性，剪力墻結構整體性好，側向剛度大，適宜做較高的高層建筑，水平力作用下側移小。缺點是由于剪力墻位置的約束，使得建筑內部空間的劃分比較狹小，不能提供大空間房屋。因此較適宜用于賓館與住宅。剪力墻結構常用于25～30層的建筑物。

筒體結構體系由框架—剪力墻結構與全剪力墻結構綜合演變和發展而來的。筒體結構體系是將剪力墻或密柱框架集中到建筑的內部和外圍而形成的空間封閉式的筒體的結構形式。在側向風荷載的作用下，它的受力特點就類似于一個固定在基礎上的筒形的懸臂構件。迎風面受拉，背風面受壓。筒體結構可分單筒、筒中筒、桁架筒、成束筒等。筒體可以是剪力墻，可以是密柱，也可以根據實際需要采用數量不同的筒。筒體結構多用于高層或超高層公共建筑中。筒體結構一般用于30層以上的超高層房屋結構，經濟高度一般不超過80層。

3 高層建筑的結構分析

3.1高層建筑結構分析的基本假定

在進行高層建筑結構分析基本假定的時候，通過采用彈性假定的方法來進行。目前，彈性的計算方法已經成為了工程上最為常見的結構分析方法。通常情況下，建筑結構在垂直荷載和水平荷載的影響下，會處于一個彈性工作階段，在這種條件下，這種彈性假定是基本符合現實情況的。但是如果遭受到地震和強臺風作用的時候，建筑就會根據實際情況產生不同程度的位移，進入到彈塑性的工作階段。此時如果按照彈性方法對內力和位移情況進行計算，那么其結果必然不能夠充分反映結構的工作狀態，因此，必須要采用彈塑性動力的分析方法進行分析。此外，在計算側向位移的時候，需要采用剛性樓板假定來對結構進行分析。

3.2高層建筑結構結構設計需要控制的六個比值

（1）軸壓比：軸壓比主要為控制結構的延性。

（2）剪重比：剪重比主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結構安全性。

（3）剛度比：剛度比主要為控制結構豎向規則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。

（4）位移比：位移比主要為控制結構平面規則性，以免形成扭轉，對結構產生不利影響。

（5）周期比：周期比側重控制的是側向剛度與扭轉剛度之間的一種相對關系，而非其絕對大小，它的目的是使抗側力構件的平面布置更有效、更合理，使結構不致于出現過大（相對于側移）的扭轉效應。

（6）剛重比：主要為控制結構的穩定性，以免結構產生滑移和傾覆。

4 高層建筑結構設計的相關問題

4.1剪力墻結構應該具有延性。細高的剪力墻容易設計成具有延性的彎曲破壞剪力墻。當墻的長度很長時，可以通過設置洞口將長墻分成長度較小的墻段，用以分割墻段的洞口上可設置約束彎矩較小的弱連梁。抗震設計時，為保證剪力墻底部出現塑性鉸后具有足夠大的延性，應對可能出現塑性鉸的部位加強抗震措施。

4.2結構的規則性問題：結構的規則性包括平面規則和豎向規則。抗震設計的混凝土高層平面宜簡單、規則、對稱，減少偏心，長度不宜過長，平面突出部分的長度不宜過大、寬度不宜過小；豎向體型宜規則、均勻，避免有過大的外挑和收進，結構的側向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化。在方案階段就要考慮這些問題，避免在施工圖階段受這些問題的限制。

4.3結構的超高問題：在抗震規范和高規中，對結構的總高度有著嚴格的限制。在實際工程設計中，出現過由于結構類型的變更而忽略該問題，導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規劃的影響相當大。

4.4嵌固端的設置問題：由于高層建筑一般都帶有地下室，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板，在這個問題上，往往容易忽視由嵌固端的改變帶來的一系列問題，如：室內外高差特別大的情況下，如果室內外高差做到了1.2m，那么嵌固端是在基礎頂板還是在地下室頂板上，在這種情況下，就應該考慮兩種嵌固端的位置分別計算，最后進行包絡設計。

4.5短肢剪力墻的設置問題：在規范中，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，最小配筋率比一般剪力墻高出許多，因此，在高層建筑設計中，結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免增加含鋼量。

5 結語

隨著我國建筑行業的不斷發展，人們對建筑質量的要求也會越來越高。為了能夠將人們的要求充分滿足，建筑結構必須進行科學合理的設計，這樣，不僅能夠有效解決目前市場上土地價格上漲給工程造價帶來的影響，有效降低了開發商的成本，而且還能夠在確保建筑整體質量達到規范標準的基礎上，使建筑的結構設計能夠滿足客戶的諸多需求。同時，還在很大程度上實現了房屋外形美觀，結構實用、舒適的目標。