浅谈高层建筑中的结构设计

浅谈高层建筑中的结构设计
摘要：高层建筑目前在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大，而建筑结
构设计方面的变化也越来越多，很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我
们的城市建设中。

建筑类型与功能越来越复杂，高层建筑的数量口渐增多，高层
建筑的结构体系也是越来越多样化，高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结
构工程设计工作的难点与重点。

本文对高层建筑结构体系设计的基本要求等方面
进行了阐述分析。

关键词：高层建筑结构体系设计
本项目规划建设目前用地东、西、南三侧均为已建成的住宅小区或旧有村屋。

西侧住宅小区以多层为主配以少量高层，呈南低北高布局，现代风格；东侧住宅
小区均为高层，属简化的西式古典风格；南侧既有多层住宅小区，又有部分旧有
村屋，较为杂乱。

由于周边的住宅小区均已投入使用，故所在区域的公共服务设施及市政配套
设施已基本趋于成熟，本项目只需针对自身需要进行必要的公共服务设施配套建
设即可。

目前场地现状已基本平整，无待拆建筑，无需要就地保护的文物古迹和古树名木，市政基础设施已基本完备，地质状况正常，适宜进行本项目的开发建设。

1、高层建筑结构的分析
高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、筒体等）通过水平楼板
连接构成的大型空间结构体系。

要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分
困难的，各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。

下面是常
见的一些基本假定：
1.1弹性假定
目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性计算方法。

在垂直荷载
或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际
工作状况，但是在遭受罕见地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大
的位移，出现裂缝，结构进入到弹塑性工作阶段。

1.2小变形假定
小变形假定也是普遍采用的基本假定。

但有人对几何非线性问题（P-△效应）进行了一些研究。

一般认为，当顶点水平位移△与建筑物高度H的比值
△/H>1/500时，P-△效应的影响就不能忽视了。

1.3刚性楼板假定
许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平
面外的刚度则忽略不计。

这一假定大大减少了结构的自由度，简化了计算方法。

并为采用空间薄壁杆件理论提供了便利。

一般来说，对框架体系和剪力墙体系采
用这一假定是完全可以的。

但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，
主要抗侧力构件间距过大或层数较少等情况，会使楼板变形较大。

2、高层建筑中的结构特点分析
2.1高层建筑的轴向变形
高层建筑的竖向荷载数值很大，因此立柱能够在轴向引起较大的变形，能够
在柱中引起较大的轴向变形，这会影响连续的梁弯矩，减小连续梁中间的支座负
弯矩值。

反而增大了跨中的正湾矩和端支座的负弯矩值；同时影响了预制构件下
料的长度。

在预制构件下料是根据要求计算轴向变形对其长度进行相应的调整。

2.2侧移成为控制指标
与低层建筑不同，结构侧移己成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼
层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。

结构顶点侧移与建筑高度
H的四次方成正比。

2.3水平均布荷载：
设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作
用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被
控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。

这是因为高楼的使用功能和
安全，与结构侧移的大小密切相关：
2.3.1使用人员的正常工作与生活。

当高楼在阵风作用下发生振动的频率f为一定
值时，结构振动加速度a与结构侧移幅值A成正比：a=A（2πf）。

因而控制侧移
幅值的大小成为保证高楼良好的居住和工作条件的关键因素。

2.3.2过大的侧向变形会使隔墙、围护墙以及它们的高级饰面材料出现裂缝或损坏，此外，也会使电梯因轨道变形而不能正常运行。

2.3.3高楼的重心位置较高，过大的侧向变形将使结构因P-△效应而产生较大的附加应力，甚至因侧移与应力的恶性循环导致建筑物倒塌。

3、高层建筑结构设计需要控制的六个比值
3.1轴压比：主要为控制结构的塑性变形能力和控制结构的抗倒塌能力，规范对
柱和墙肢均有相应限值要求，详见建筑抗震设计规范（GB50011-2010以下简称抗规）第6.3.6条和第6.4.5条。

3.2剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，详见抗规第
5.2.5条。

3.3刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，详
见抗规第3.4.2条。

3.4位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。

详见抗规第5.5.1条。

3.5周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，要求
详见高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002 以下简称高规）第4.3.5条。

3.6刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆，要求详见高
规第5.4.4条。

4、高层建筑结构设计的基本要求
4.1结构的规则性。

4.1.1不应采用严重不规则的结构体系。

建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不
应采用严重不规则的设计方案。

高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，应符
合下列要求：
4.1.1.1应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；
4.1.1.2应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷
载和地震作用的能力；
4.1.1.3对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施予以加强。

4.1.2高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求：
4.1.2.1结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变
和扭转效应而形成薄弱部位，
4.1.2.2宜具有多道抗震防线。

4.2规则结构的主要特征。

4.2.1建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截
面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。

4.2.2规则结构一般指：体型（平面和立面）规则，结构平面布置均匀、对称并具有较好的抗扭刚度；结构竖向布置均匀，结构的刚度、承载力和质量分布均匀，
无突变。

4.3规则平面布置需满足的要求。

4.3.1结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称，减少扭转的影响。

在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，风
力作用下则可适当放宽。

抗震设防的高层建筑，平面形状宜简单、对称、规则，
以减少震害。

4.3.2在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。

不应采用严重不规则的平面布置。

4.3.3抗震设计的B级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑，其平面布置应简单、规则，减少偏心。

5、高层建筑结构设计
5.1在高层建筑中，竖向荷载对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定
性作用。

因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑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
竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比；另一方面，对一定高
度建筑来说，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
数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

对一些较柔的高层建筑，风荷载
是结构设计的控制因素，随着建筑物高度的增高，风荷载的影响越来越大。

高层
建筑中除了地震作用的水平力以外，主要的侧向荷载是风荷载，在荷载组合时往
往起控制作用。

因此，高层建筑在风荷载作用下的结构分析与设计引起了研究人
员和工程师们的重视。

5.2 选取适宜的设计简图
设计简图一定要确保有相关的高层楼宇结构技术，并且有对高层楼宇构造的
设计方式，设计简图如果选取的不适合甚至对高层楼宇构造的安全产生不良影响，所以保证高层建筑构造稳定的关键是选取适宜的设计简图。

还要留意的是设计简
图存在错误是很正常的，不过差错一定要在高层施工构造策划准许的范畴内。

5.3使用轻质、高强材料
如今，在我国的很多高层建筑的施工当中都会使用一些轻质材料、钢筋混凝
土以及高强度的钢材等轻质材料，而这些材料在使用的过程当中也可以相对地减
轻高层建筑结构的重量。

从国外的很多高层建筑可以发现轻质、高强的材料可以
对建筑本身起着举足轻重的作用。

5.4竖向荷载设计应减轻自重。

高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。

从地基
承载力或桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基的情况下，减轻房屋自重意味
着不增加基础造价和处理措施的前提下，可以多建层数，这在软弱土层时有突出
的经济效益。

5.5地震效应与建筑的重量成正比，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。

高层建筑重量大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，还由于重心高地震作
用倾覆力矩大，对竖向构件产生很大的附加轴力，从而造成附加弯矩更大。

6、结语
结构设计是一项集结构分析，计算机技术以及数学优化方法于一体的综合性
技术工作，它不仅是一门实用性很强的工作，更是一项对国家建设有重大意义的
工作。

如今建筑发展更是一个集约化、高效化的综合系统工程。

建筑设计者应该
以当今经济现状和发展趋势为出发点，建立一个合理的、宏观的结构设计理念，
合理确定建筑设计标准、经济性措施和原则，这样不仅可以满足设计的各类需求，更能改善人类的居住环境。