高层建筑结构设计探讨

1、    高层建筑结构设计探讨    王超 张磊摘要：随着我国城市化水平的不断提高，城市建设用地日趋紧张，促使高层建筑得到了迅速发展。本文结合笔者的工作经验，简要阐述了当前高层建筑结构设计的常见问题以及设计要点，以供参考和探讨。关键词：高层建筑结构设计 要点分析：tu208： a一、当前高层建筑结构设计的常见问题（一）地基与基础设计问题高层建筑的地基与基础设计问题一直是建筑结构设计人员比较重视的问题之一，该阶段设计工作的好坏会直接影响后期结构设计工作的顺利进行，同时，建筑物地基基础也是整个工程造价高低的决定性因素。在地基基础设计这一阶段，极有可能出现一些问

2、题，如果不加以重视，将对建筑工程造成巨大的损失。（二）轴压比与短柱问题在采用钢筋混凝土建筑的高层建筑中，设计人员为了控制柱的轴压比，使得柱的横截面很大，在柱的纵向钢筋中则是构造配筋，即使在建筑中采用高强度的混凝土，建筑柱断面的尺寸也没有明显的减小。为了使建筑中的柱体处于偏压状态，防止混凝土被压碎，要限制柱体的轴压比数值。建筑中主体的塑性变形能力越小，其建筑结构的延性就越差，当发生地震灾害时，就会出现吸收和耗散地震能量较少的情况，导致建筑结构遭到不同程度的损坏。（三）高层建筑的高度问题根据我国高层建筑混凝土结构技术规程中的有关规定，从考虑经济与适用原则的角度出发，规定了各种常见建筑结构体系的最大

3、适用高度。在我国的社会经济发展水平、建筑科研水平和施工科学技术水平的相关背景下，这一高度是比较安全稳妥的，它是目前我国土木工程规范体系中最相协调的标准高度。但是在实际的建筑工作中，很多混凝土结构的高层建筑在高度设计上已经超过了这一限制，对于目前超过高度限制的高层建筑物，我们必须以谨慎的科学态度对待、。因为如果发生地震的话，这些超高建筑物在受到破坏后会发生很大的变形，严重影响建筑物的安全。（四）建筑材料的选用和结构问题在地震多发区，工程技术人员对采用何种建筑材料或建筑结构体系的问题都非常的重视。在国外的地震多发地区，高层建筑物主要以钢结构为主，而在中国，建筑物有将近90%的比例是钢筋混凝土结构或

4、其他沙石混合结构。在混合结构的钢筋混凝土内筒部位，通常要承受80%到90%的地震作用剪力，这种情况对建筑物来说是十分危险的。在结构设计中，由于建筑结构是以钢筋混凝土核心筒为主，所以对建筑材料的变形控制要考虑钢筋混凝土结构的位移。1二、高层建筑结构设计的原则（一）结构立体布置原则高层建筑结构立体布置的基本原则是规则、均匀。1、规则主要是指体型规则,若有变化,亦应是有规则的渐变。体型沿竖向的剧变,将使地震时某些变形特别集中,常常在该楼层因过大的变形而引起倒塌。2、均匀是指上下体型、刚度、承载力及质量分布均匀,以及它们的变化均匀。结构宜设计成刚度下大上小,自下而上逐渐减小。下层刚度小,将使变形集中在

5、下部,形成薄弱层,严重的会引起建筑的全面倒塌。如果体型尺寸有变化,也应下大上小逐渐变化,不应发生过大的突变。上不楼层收进使得体型较小的情况经常发生,但是对于收进的尺寸应当限制。（二）平面布置原则高层建筑平面设计时应追求形状简单、规则、对称尽量使质心和钢心重合。偏心大的结构扭转效应大,会加大端部构件的位移,导致应力集中。平面突出部分不宜过长。高层建筑不应采用严重不规则的结构布置,当由于使用功能与建筑的要求,结构平面布置严重不规则时,应将其分割成若干比较简单、规则的独立结构单元。对于地震区的抗震建筑,简单、规则、对称的原则尤为重要。三、高层建筑结构设计的特点（一）水平荷载楼房自重和楼面使用荷载在竖

6、构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。（二）轴向变形高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整。（三）侧移结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素，随着楼房高度的增加，水平

7、荷载下结构的侧移变形迅速增大 因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。（四）结构延性相对于较低建筑而言， 高层建筑结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。四、高层建筑结构体系的选择（一）框架一剪力墙结构体系当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架一剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框

8、架一剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低内力沿竖向的分布趋于均匀，因此框架剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。（二）剪力墙体结构体系当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构， 其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架一剪力墙体系。（三）筒体结构体系包括单筒体、简体一框架、筒中筒、多束筒等多种型式。简体是一种空间

9、受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。简体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑2。五、高层建筑的抗震设计由于高层建筑的受力特点，尤其在地震区进行高层建筑结构设计时，除应保证结构具有足够的强度和刚度外，还应具有良好的抗震性能。对于框架结构设计应使节点基本不破坏，梁比柱的屈服易早发生，同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜晚形成，应使梁、柱端的塑性铰出现得尽可能分散，充分发挥整体结构的抗震能力。为了保证钢筋砼结

10、构在地震作用下具有足够的延性和承载力,应合理地选择柱截面尺寸,控制柱的轴压比,注意构造配筋要求,特别是要加强节点的构造措施。对于框架剪力墙结构和剪力墙结构中各段剪力墙高宽比不宜小于2，使其在地震作用下呈弯剪破坏，且塑性屈服尽量产生在墙的底部。连梁宜在梁端塑性屈服，且有足够的变形能力,在墙段充分发挥抗震作用前不失效，按照强墙弱梁的原则加强墙肢的承载力，避免墙肢的剪切破坏提高其抗震能力3。总结：高层建筑在一定程度上反映了一个国家的经济和城市发展水平,但是如果高层建筑因结构设计不清,而造成结构布置不合理,不仅会造成大量的浪费,更重要的是给高层建筑留下了结构质量的安全隐患。因此高层建筑的结构设计必须根据建设地的实际情况进行设计，同时要不断的总结经验