實例分析高層建筑結構的設計理念

摘要：高層建筑作為城市發展的標志性建筑已經凸顯出其重要性。而建筑向高層發展也是城市現代化建設的一個明顯特點，相比于傳統建筑具有層數高、體積大、空間大等優勢。這種建筑特點勢必也會給建筑結構的設計帶來更嚴峻的挑戰。本文將結合實例，對高層建筑中的結構設計分析、位移比、剪切比、周期比等重要指標進行研究介紹，以期分析高層建筑結構的設計理念

關鍵詞：高層建筑;建筑結構;設計理念;實例分析

1、引言

高層建筑可以為日益加劇土地面積稀少提供足夠的生存空間，可以有效地減少人口增長和土地不變之間的矛盾，也能從社會功能上滿足大眾需求。高層建筑雖然在各方面都有這樣不同的優勢，但其對建筑結構要求也提出了更高的挑戰。比如在要求具備足夠的抗震強度，抵抗大風的強度，防火設計等級要明顯高于一般建筑。高層建筑高度較高，承載力大，對建筑結構上要求具有一定的剛度、延性，因此在設計、材料選擇、施工工藝、成本上都需考慮周全。

2、高層建筑結構特點

2.1水平載荷影響

對于較低層設計的樓房來說，水平載荷的影響是較小的故而對建筑的結構也影響較小，受到的垂直荷載較大。對于高層建筑來說，水平載荷的影響就顯得至關重要，而且隨著建筑層數、高度的增加，水平載荷的作用會越發明顯，由水平載荷作用影響下建筑產生的水平位移增大，在建筑結構設計上就要求有足夠的剛度來抵抗側向位移，或是將位移控制在一定的范圍內，保證建筑的安全性和舒適性。

2.2豎直載荷影響

對于高層建筑除了水平載荷的影響外，豎直方向的重力影響也是不可忽視的一點。由于高層建筑的軸力值大，沿著建筑高度方向積累的軸向形變顯著，其會影響整體載荷在整棟建筑中的分布，一般情況下建筑設計上會使得水平或是側向載荷最終轉變為豎直向載荷，若發生軸向形變則容易引發載荷分布不均，會導致軸向壓縮變形。

2.3建筑結構整體剛度的影響

除了上述兩種載荷的影響外，還需要考慮到建筑的抗震能力。高層建筑的剛性結構決定了在抗震中吸收與釋放能量的大小。剛性結構能在地震中吸收大量的能量，釋放較小的能力，柔性結構則相反。故而在結構設計中還需考慮到抗震設計，保證建筑的使用壽命和安全。

3、高層建筑結構特點

3.1框架體系

框架體系是傳統的建筑結構承重體系，其是由樓板、柱、梁和基礎承重構件組成。此體系具有建筑平面布置較靈活的的特點，且結構自重較輕，但是其抗側向能力不強，在水平載荷和地震中容易遭到破壞，通常使用于建筑高度較低的建筑中。

3.2剪力墻體系

為了提高高層建筑的抗側向力的剛度，目前采用剪力墻結構來保障建筑承受側向水平載荷的作用時的強度。剪力墻是建筑的豎向承重結構均有剪力墻組成，以此來承受建筑受到的側向水平載荷和豎直載荷。由于該體系具有剛性好、形變小，而且可以有效的減少建筑中承重柱的數量，在一定程度上使實際面積增加，美觀內部空間的效果已經被大量應用在高層建筑和需要考慮內部空間美觀設計的建筑中。

3.3混合體系

在框架體系中通過設置剪力墻可以有效的抵抗水平載荷的作用，利用框架和剪力墻構成整體結構，使建筑的水平載荷由剪力墻承擔主要部分，框架承擔小部分的水平荷載。由于具備了兩種體系的優勢，其剛度和強度都大大提高，該方法適用于在重災區進行高層建筑時采用，而且通過結構優化來美觀框架體系的承重柱。此外還有一種結構是通過框架和剪力墻組合形成筒狀結構，將樓板與筒狀結構相互連接形成一個整體，構成承重支架。無論從哪個方面受力該結構都可以有效的分攤抗變形。

4、某高層建筑實例分析

某商業塔樓建筑高度為98.2米，地上設計為25層，地下設計為3層，塔樓周邊設計有裙樓高度為19米，工程級別為一級，本工程地質勘查符合工程建筑設計要求。設計上部結構載荷大，塔樓的最大單柱載荷為18000kN，裙樓的最大單柱載荷為8000kN。由于高層建筑設計主要考慮水平載荷對建筑的影響，本商業樓按照相關標準進行抗震設防，抗震設防烈度為7°。設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，因地震產生的加速度取0.05g，設計地震為一級。取基本風壓為0.3KN/m2，考慮地震、水平載荷和重力載荷的共同影響進行設計。

考慮到該塔樓的使用狀況和使用要求確定承重結構體系為：框架-剪力墻混合體系;抗震結構為：框架與剪力墻均為一級。確定了結構體系后則應該根據內部使用功能進行平面布置，選擇承重構件的尺寸、混凝土等級、鋼筋規格等。在地震時剪力墻承受地震水平方向應力，框架體系同樣要承受地震水平向應力，則在框架設計機構中應加強抗水平力的強度。在實際選取中應選擇較高規定要求，即對框架數量從建筑上層向下由變化時，應取每段最下一層的結構對應的地震標準應力作為總剪切力，每段框架中所承受的最大地震剪切力應取最大值。

過大的偏心會導致整體結構產生較大的扭轉力，同時為了考慮到地震效應偶然偏心的影響，該建筑高度屬于A級高度，不超過120m，則要求該建筑產生的豎向構件的最大水平位移和層間位移不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍。本建筑中的X方向與Y方向的最大水平位移和平均水平位移的比值，最大層間位移和平均層間位移的比值，層間位移角均滿足設計要求。由于受地震影響下，對基本周期大于3.5秒的結構，計算得出的地震水平作用對結構的影響較小。為了規范地震水平力和樓層間平均水平力對建筑結構的影響，《抗震設計規范》中提出了最小值的要求以保證建筑的安全性能。本工程在設計時選取18"個振型進行計算，計算結果顯示兩個方向有效質量系數均超過90%，說明計算振型數足夠，不需進行調整。

在正常設計中為了避免出現下部樓層因受力大，剛度小而引起的變形，下部樓層的側向剛度要大于上部樓層。所以對下部樓層與上部樓層的剛度比值進行限制，按照該建筑的設計《高層建筑設計規范》中規定，框架-剪力墻結構的樓層與相鄰的上一層側向剛度的比值不應小于0.9，當本層高度大于相鄰上層高度的1.5"倍時，比值不應小于1.1，對結構底部嵌固層，比值不應小于1.5;對于形成的軟弱層應加強。如果樓層剛度比的計算結果不滿足要求，計算時應將該樓層定義為薄弱層，并按規定對豎向不規則結構的薄弱層設計的地震剪力取1.15倍，此外還應對結構的抗震等級、樓板、弱連接結構進行加強，從而加強薄弱部位。

對高層建筑而言，由于重力二階效應較為明顯，使結構位移和內應力增加，當結構位移變大時會導致結構失穩。因此樓層的剛重比則主要是控制在水平載荷和地震水平載荷的作用下，重力二階效應不致于過大來保障建筑的整體穩定性。本工程計算得出：X方向的剛重比為3.2;Y方向的剛重比為2.6，整體滿足規范中要求的限制。

4、結語

框架-剪力墻的混合結構體系是高層建筑中最常用的結構體系，也是較好的一種結構體系。通過對結構模型的計算來判定結構的合理性和經濟性，在設計中要將框架和剪力墻兩種不同的因素協調起來，才可以取得較好的效果。本文通過對某商業塔樓的建筑分析、分析其常見的幾個重要指標，對高層建筑中的結構設計提出一些參考。

參考文獻：

[1]佟潔.試談高層建筑結構抗震設計理念及方法[J].建筑規劃與設計.2013，8.

[2]劉麗.某高層建筑結構設計實例分析[J].太原城市職業技術學院學報.2012，5（5）.

[3]莊妍，金曉.貴陽某高層建筑結構設計實例.2013，41（4）.