談高層建筑結構設計

侯艷斌

(臨汾市建筑規劃設計院，山西臨汾 041000)

隨著我國經濟的高速發展，城鎮化進程的步伐也越來越快，城市建設的需要與滿足可供建設的土地供給之間的矛盾日益突出。但是，科學技術水平的發展和提高也為解決這些矛盾提供了選擇。高層建筑的出現在一定程度上緩解了這種矛盾。現在，高層建筑的建造速度和建設規模越來越快，越來越大。我國的高層甚至是超高層建筑從無到有，不僅高度不斷增加，建筑功能越來越齊全，而且建筑類型也越來越呈多樣化的發展趨勢，結構體系的選擇也更為靈活。因此，高層建筑不僅節約城市用地，增加城市景觀，減少城市基礎設施投資，更重要的是，確實使居民的居住和生活條件大為改善。

1 高層建筑結構體系的劃分

1)按結構材料劃分為:

a．鋼筋混凝土結構。充分發揮了鋼筋和混凝土兩種工程材料的力學性能，且能共同受力，協調工作。

b．鋼結構。雖然存在結構材料本身價格較高、易銹蝕、維護成本高的種種缺點，但結構強度高、自重低、抗震性能優良等優點使鋼結構成為超高層建筑的首選。

c．鋼—混凝土組合混合結構。將鋼構件和鋼筋混凝土構件作為結構構件進行連接，共同形成結構。

d．鋼—混凝土組合結構。型鋼混凝土結構:將型鋼當作混凝土中包的鋼筋;鋼管混凝土結構:鋼管內澆筑混凝土形成新的結構構件。

2)按結構形式劃分為:

a．框架結構。由梁柱作為承受橫向或豎向荷載的結構形式。

b．剪力墻結構。由剪力墻作為承受橫向或豎向荷載的結構形式。

c．框架剪力墻結構。利用框架和剪力墻的各自優點，框架主要承受豎向荷載，剪力墻主要抵抗橫向荷載。

d．筒體結構:包括框筒、筒中筒和組合筒等結構形式。

3)較復雜高層建筑結構體系:

a．轉換層結構。沿立面根據功能劃分為不同區段，設置轉換層使這些不同區段的豎向構件實現過渡。

b．連體結構。由架空連接體將不同的高層建筑進行連接，以實現外觀和功能需求。

c．帶加強層結構。在框筒結構中沿豎向設置一個或若干個加強層，以提高整個結構的抗側剛度。

2 高層建筑結構選型

建筑結構從受力上可劃分為豎直方向、水平方向以及與地基接觸的底部等結構。綜合考慮建筑的高度、高寬比、抗震設防類別、抗震設防烈度、場地類別、結構材料和施工技術等影響因素而決定的建筑物各方向整體受力情況的結構體系稱為結構選型。結構選型涉及到整個建筑物的設計功能，更涉及到建筑物的結構安全，是結構設計的關鍵。

結構選型的主要任務有:

1)決定建筑豎直方向的受力體系;

2)決定建筑水平方向的受力體系;

3)決定建筑底部的受力體系。

決定的結構體系應滿足幾方面的要求:

1)建筑功能。如居住建筑、公共建筑;采光、通風、空調等功能。

2)結構與建筑美學的統一。建筑的表達從社會學、民俗學、哲學等人文領域講具有一定的隨意性，如何把建筑的美學表達和結構實現結合起來，就要從結構選型上多加考慮。

3)有足夠的強度、剛度和變形能力。不同的結構體系所對應的這三個方面的指標能力不同。

4)施工上技術可行。設計最終需要施工上予以實現，若現有的施工技術水平無法達到，則所有的設計只能放在展覽廳。

5)總體費用最低。無論處于建筑產品實現的哪個階段，錢都是最主要的問題。當設計方案對比時，要充分考慮總體費用，我們的目標是在滿足所有功能的前提下，花錢最少。

3 高層建筑的受力情況分析

3．1 豎向荷載

1)恒荷載。根據結構或構件的密度與設計尺寸進行計算。

2)活載。包括樓面活載或屋面活載，從《建筑結構荷載規范》中查閱，但要特別考慮:

a．充分考慮到施工中可能遇到的對結構受力有影響的其他因素;

b．在高層或超高層建筑頂部設置可移動裝置時設備的影響;

c．在高層建筑后期維護或清潔時，大型清潔機具空中作業時產生的附加重量對結構的影響;

d．經濟發達地區當高層建筑頂部設置有直升機起降平臺時所產生的活荷載。

3)高層建筑活載占比較小，可不考慮活荷載的不利布置。

3．2 水平作用

1)風載。空氣流動對建筑物側面產生正壓力或負壓力，這些就是建筑物受到的風荷載。

設計時應根據《規范》充分考慮:基本風壓，風壓高度變化系數，風載體型系數，風振系數的影響，分別計算總風載和局部風載，以及相對應的總體效應和局部效應。

2)地震作用。規范規定“設計中主要考慮水平地震作用，只有震中附近的高烈度區大跨度結構才同時考慮豎向地震作用”。根據抗震設防三水準目標和兩階段設計方法，計算地震作用方法一般采用“反應譜法”。

3)其他作用。在設計過程中還應充分考慮建筑物在施工過程中和使用過程中由于溫度、材料、沉降等其他因素而引起的內力或變形。

通過以上分析，高層建筑在結構設計時要充分考慮樓面剛度無窮大假定，豎向荷載和水平荷載分配假定的整體工作性能。同時可以看出，水平作用的影響是高層建筑結構設計的關鍵因素。高大建筑剛度設計時還要提高延性和考慮薄弱層的影響。

4 高層建筑結構設計的特點

從設計方法和計算原理角度看，高層建筑與多層建筑除了高度與層數，沒有實質性區別，都會受到豎向或水平方向上的作用。但是高層建筑結構設計中抗側力設計成為更多消耗材料的重要因素，同時從功能上講，高層建筑更有其特殊要求。

1)水平方向的作用成為結構設計是否成功的最主要考慮因素，結構的傾覆力矩與位移隨結構高度增加呈指數變化曲線上升。

因此，水平方向的作用成為關鍵因素，在這種情況下，必須對結構進行優化，才能適度減少材料用量。

2)隨著高度增加，地震作用的危害將會進一步放大，因此，必須特別重視高層建筑結構的抗震設計，結構延性成為高層建筑結構設計的重要指標。

3)高層建筑在豎向荷載作用下，荷載數值很大，因此，必須考慮柱的軸向變形導致的連續梁的彎矩變化而引起的變形所產生的影響。

4)高層建筑在水平荷載作用下，隨高度增加側移急劇增大，因此必須將側移控制在一定范圍內。

5)充分考慮結構的抗扭剛度。

地震時，地面在平移的同時還會產生轉動，隨之結構在地震作用下也會產生平移和扭轉。震害研究指出，地震時的扭轉是導致建筑結構破壞的一個很重要的因素，因此，規范增加了對高層建筑結構偏心扭轉的規定。在結構計算時應考慮結構構件對抗扭剛度的有利影響。

同時注意:

1)抗側構件布置應規則、均勻、對稱;

2)抗側構件截面設計宜規整、對稱;

3)在建筑設計允許的條件下，適度降低層高。

除上述一些特點外，為了簡化計算模型，實用分析法一般都作彈性假定、小變形假定和剛性樓板假定。

5 框剪結構中剪力墻數量的優化

鋼筋混凝土框架—剪力墻結構體系是震區高層建筑使用較為廣泛的結構體系，不僅能為建筑設計提供大空間，且結構具有良好的抗震性能。但是這種結構體系中，剪力墻的數量的最佳配置不僅反映結構的安全性，更是衡量技術經濟性的重要指標。

鋼筋混凝土框剪結構中，滿足抗震規范層間位移角限值規定的最少剪力墻數量就是剪力墻數量的最佳配置，且布置對稱、均勻。

6 結語

隨著我國城鎮化水平的不斷提高，建筑物的精心設計才能滿足廣大人民群眾對安居生活的較高要求。這樣，不僅能夠有效解決城市用地緊張給房屋價格帶來的巨大影響，而且還能夠在滿足建筑物功能的基礎上使建筑的結構設計與建筑形式達到和諧統一。

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