高層建筑結構設計及結構選型探討

白偉寧

（身份證號：130130198409061212）

高層建筑結構設計及結構選型探討

白偉寧

（身份證號：130130198409061212）

本文通過對高層住宅的結構優化設計進行探討，降低高層建筑的造價成本，有著非常重要的現實意義。

高層建筑；結構設計；結構選型；結構體系

1　高層建筑結構特點及類型

1.1高層建筑結構特點

高層建筑的結構要同時承受垂直荷載和風產生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。低層結構的水平荷載對結構影響通常較小，但在高層建筑中，水平荷載和地震作用將成為控制因素。高層建筑隨著高度的增加，位移增加很快。然而過大的側移會使人感覺不舒服，從而影響使用，還會造成非結構構件和結構構件的損壞。所以必須將結構的側移控制在一定的范圍之內，于是抗側力結構設計成為高層建筑設計的關鍵。

1.2高層建筑結構類型

鋼結構的特點是強度高，韌性大，易于加工。高層建筑鋼結構具有結構斷面小，自重輕，抗震性能好，施工工期短，施工方便等特點。然而，高層建筑結構隨著用鋼量的增大，工程造價也隨之提高。在發達國家，大多數高層建筑采用鋼結構設計，在我國，隨著建筑物高度的增加，也有采用鋼結構的高層建筑。由于鋼筋混凝土和鋼結構均各有所長，又各有所短，所以更為合理的結構是同時采用鋼和鋼筋混凝土材料的組合結構，這種結構可以使兩種材料互相取長補短，取得經濟合理、技術性能優良的效果。

2　高層建筑結構分析與設計

2.1水平荷載成為決定因素

任何一個建筑結構都要同時承受垂直荷載和風產生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結構設計產生著重要影響，但水平荷載卻起著決定性的作用。隨著高層建筑層數的增多，水平荷載成為結構設計中的控制因素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中產生作用，而水平荷載一也對結構產生傾覆作用，并由此產生高層建筑在豎構件中的作用力；另一方面，對高層建筑來說，豎向荷載和地震作用，也隨建筑結構動力特性而發生大幅度的變化。

2.2側移成為控制指標

與低層建筑不同，結構側移已成為高層建筑結構設計中的關鍵因素。隨著樓層的增加，水平荷載作用下高層結構的側向變形迅速增大。設計高層結構時，不僅要求結構具有足夠的強度，能夠可靠地承受風荷載作用產生的內力；還要求具有足夠的抗側剛度，使結構在水平荷載下產生的側移被控制在某一限度之內，確保良好的居住和工作安全。由此可見，高樓的使用功能和安全，與結構側移的大小密切相關。

2.3結構延性成為重要設計指標

與低層建筑結構相比，高層建筑結構更柔和，在地震作用下的變形度更大。為了確保高層建筑在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，從而避免倒塌，設計人員特別需要在建筑結構設計上采取恰當的措施，來保證高層建筑結構具有足夠的延性。

3　高層建筑結構選型

在傳統的結構設計中，人們往往將注意力集中于建筑結構的力學分析、結構的設計和施工，而忽視了設計階段前的許多更為重要的問題。根據高層建筑結構的受力特點，對高層建筑結構在概念階段的設計顯得尤為重要，該階段設計的優缺點直接影響建筑工程整體的經濟性。

3.1高層建筑結構體系選型與建筑施工的關系

高層建筑施工工藝的不同，不僅會影響到材料消耗、勞動力、工期及造價等技術經濟指標，而且也會影響到建筑結構的受力狀態，抗震性能等。所以在高層建筑結構體系選型時就要對施工工藝連同其它因素加以權衡，綜合考慮。現澆鋼筋混凝土高層建筑結構的造價主要包括材料、模板及施工三部分。據統計，在造價中模板的費用是最主要、最易變化的部分，它可占總造價的33～55%，模板體系選擇是否合理，不僅影響主體結構造價，而且與施工速度及勞動力消耗有著密切關系。

3.2高層建筑結構抗震體系選定的原則

①具有明確的計算簡圖和合理的地震力傳遞路線；②具備多道抗震防練不會因部分結構或構件失效，而導致整個體系喪失抗側力或承受重力荷載的能力；③具有必要的承載力、良好的延性和較多的耗能潛力，從而使結構體系遭遇地震時具有足夠的防倒塌能力；④沿水平和豎向結構的剛度和強度分布均勻，或按需要合理分布，避免出現局部削弱或突變，形成薄弱環節，從而防止地震時出現過大的應力集中或塑性變形集中的危險。

在確定高層建筑方案的同時，應綜合考慮房屋的重要性、設防烈度、場地類別、房屋高度、地基基礎，以及材料供應和施工條件，并結合結構體系的經濟、技術指標，選擇最合適的結構體系。

4　結語

結構設計是一項集結構分析、數學優化方法以及計算機技術于一體的綜合性技術工作，是一項對國家建設具有重大意義的工作，同時也是一門實用性很強的工作。針對目前設計人員按傳統設計法造成財產大量浪費的現狀，推行能實現資源合理分配利用，節約建筑造價的結構優化設計的方法是勢在必行的，同時也是刻不容緩的。那么，概念設計和結構選型就毋庸質疑地被放在了一個極其重要的地位之上。概念設計是展現先進設計思想的關鍵，一個結構工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結構總體方案的設計，并能有意識地處理構件與結構、結構與結構的關系。

[1]張相庭.高層建筑抗風抗震設計計算[M].北京：中國建筑工業出版社，2007：30～33.

[2]李波.高層建筑側向位移限制的研究[M].北京：中國工業出版社，2008：100～103.

TU973.1

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1673-0038（2015）31-0047-01

2015-7-4