高层建筑结构设计中的若干问题探讨

高层建筑结构设计中的若干问题探讨

【摘要】

随着城市化发展以及建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多，高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性，本文对高层建筑结构设计中的几个问题进行探讨。

【关键词】高层建筑结构设计优化设计

引言

随着社会生产力和科学技术的高速发展，城市人口逐渐增多，可利用的土地资源越来越少，这势必会使建筑往高空延伸，高层建筑逐渐成为衡量一个城市发展的软指标，因此，高层建筑的结构设计也逐渐成为人们关注的焦点。结构工程师在高层设计中如何把握设计要点，直接影响到整体结构的安全性、经济性及合理性。

1、高层建筑结构设计的特点

多层和高层结构的差别主要是层数和高度。但是实际上，多层和高层建筑结构没有实质性差别，它们都要抵抗竖向及水平荷载作用，从设计原理及设计方法而言，基本上是相同的。但是在高层建筑中，要使用更多结构材料来抵抗外荷载，特别是水平荷载，因此抗侧力结构成为本工程结构设计的主要问题，设计时要满足更多的要求，尤其自身有别于多层建筑的特殊要求和设计特点。

(1)水平荷载成为控制结构设计的主要因素。结构内力、位移与高度的关系，除轴向力与高度成正比之外，弯矩和位移随高度都呈指数曲线上升，因此，随着高度的增加，水平荷载将成为控制因素。水平力作用下结构是否优化，材料用量将有很大差别。

(2)特别是在地震区，随着层数的增加，地震作用对高层建筑危害的可能性也比对多层建筑大，高层建筑结构的抗震设计应受到加倍重视，本工程位于非地震区，无需进行地震作用计算，仍需要考虑抗震的构造措施。

(3)侧移成为控制指标。与多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而应将结构在水平荷载作用下的侧移控制在某一限度之内。

(4)轴向变形不容忽视。高层建筑中竖向荷载数值很大，使得柱产生较大的轴向变形，从而会使得连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大。轴向变形还会对预制构件的下料长度产生影响，需要根据轴向变形的计算值调整下料长度进行。另外轴向变形对构件的剪力和侧移产生影响，如不考虑构件竖向变形将会得出偏于不安全的计算结果。

(5)结构延性是重要设计指标。相对于多层建筑而言，高层建筑更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了避免倒塌，特别需要在构造上采取合理措施，使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，即保证结构具有足够的延性。

2、高层建筑结构体系的分类

1.1高层建筑按结构材料划分

(1)钢筋混凝土结构体系

钢筋混凝土结构合理利用了钢筋和混凝土两种材料的协同受力性能特点，广泛应用于各种工程结构中。它具有取材丰富，造价较低，耐久性和耐火性较好，维护费用低，结构造型灵活，整体性能好等优点。由于这些优点使得钢筋混凝土结构成为我国传统的结构形式，在我国的高层建筑中占主导地位。

(2)钢结构体系

钢结构具有强度高，抗震性能好，构件截面小，工厂化生产程度高，施工方便，建设周期短，大跨度、大空间、多用途等特点。同时它也具有结构材料较昂贵，造价较高，钢材易于锈蚀，日后维护费用高，防火性能较差，设计施工技术较复杂等缺点。

(3)钢——混凝土混合结构体系

钢——混凝土混合结构将钢构件和钢筋混凝土构件两者并用，互相取长补短，既充分利用了钢构件具有的材料强度高，截面尺寸小，能提供较大跨度空间的优点，也利用了钢筋混凝土墙体或简体具有的较大的抗侧刚度和较高的抗震承载力等优点。正因为钢——混凝土混合结构能形成高效的抗侧力体系，用钢量较小造价较低，具有良好的技术经济效益，因而它在30～80层的高层建筑中得到了推广应用。

(4)钢——混凝土组合结构体系

钢——混凝土组合结构主要包括型钢混凝土结构和钢管混凝土结构，型钢混凝土结构是指混凝土内含型钢的劲性配筋混凝土结构，钢管混凝土是指在钢

管中填充混凝土而形成的构件。钢——混凝土组合结构的优点是，在三向受压状态下极大改善了混凝土脆性性能，承载力高，抗裂性能和抗震性能较好，耐火性能优于钢结构，能在不显著提高造价的情况下增强结构的抗震性能，减小构件截面，施工时无需支撑和模板，施工速度加快。

1.2高层建筑按结构形式划分

多层及高层建筑中传统的、广为应用的是框架、剪力墙、框架一剪力墙结构体系。在高度较大的高层建筑中，应用较多的是框架——筒体结构、框架结构、筒中筒结构及多筒结构等结构体系。

(1)框架结构体系

框架结构体系采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构，并同时承受水平荷载，适用于多层或高度不大的高层建筑。框架结构的布置要注意对称均匀和传力途径直接。传统的结构布黄采用主次梁的作法为主，逐步向扁梁或无盖梁发展。框架柱是框架结构的主要竖向承重和抗侧力构件，以受压应力为主。框架体系的整体结构的抗侧移和稳定主要靠框架结构自身，其结构侧向刚度差，侧向位移大，因此一般适用于10—12层50m高度以下的建筑。当建筑层数较多时，框架结构的内力和位移很大，不宜选用纯框架结构体系。

(2)剪力墙结构体系

剪力墙结构体系是利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构体系。剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制，一般为3．8米。因而剪力墙结构适用于要求小房间的住宅、旅馆等建筑。剪力墙一般采用钢筋混凝土材料，可分为全部为现浇的剪力墙，全部用预制墙板装配而成的剪力墙，内墙为现浇、外墙为预制墙板的剪力墙。现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平力作用下侧向变形很小。墙体面积大，承载力要求也比较容易满足，抗震性能也较好。

(3)框架——剪力墙结构体系

框架——剪力墙结构是将框架和剪力墙结合在一起而形成的结构形式。它既有框架结构平面布局灵活、适用性强的优点，又有较好的承受水平荷载的能力，是高层建筑中应用比较广泛的一种结构形式。合理的结构设计，将能使框架、剪力墙两种不同变形性能的抗侧力结构很好地协同工作共同发挥作用。框架——剪力墙结构的选型布置设计中要注意以下几个方面。

1)剪力墙的部位。框架剪力墙结构中，框架、剪力墙两种变形性质不同的结构协同工作，使整体结构的抗侧刚度、抗侧能力大大提高，但与此同时楼屋盖受力较大，水平力将通过楼屋盖在框架柱、剪力墙两种结构体系中互相转移。当剪力墙数量较少时，应力集中的现象突出。剪力墙还应在整体结构两个主轴方向都均匀设置。使整个结构在两个主轴方向都呈框剪特性，这样有利于增大结构