讨论高层建筑结构概念设计以及现实中的体现

讨论高层建筑结构概念设计以及现实结构中的体现皖西学院建筑院土木工程学院土木1203班学号2012011933
摘要：随着我国经济的发展城市人口不断增长，城市建设用地不断紧张、地价不断高涨、科学技术的进步、以及机械化和电气化在建筑中的应用和发展，高层建筑成为历史科技发展的必然趋势。

高层建筑不仅要考虑结构受力，还要考虑水平荷载和竖向荷载组合影响的建筑物，必须控制风荷载(地震作用)产生的水平位移。

关键词：高层建筑；结构体系；抗震设计
中图分类号;TH212
Discussion of high-rise building structure concept design as well as well as the
reflection of reality
West anhui institute of architectural institute of civil engineering college of civil 1203
class student number 2012011933
Abstract: with the development of our country's economy growing urban population, urban construction land tensions, land price rising, the progress of science and technology, and
and electric application in the construction and development of high-rise buildings become the inevitable trend of historical development of science and technology. High-rise buildings should only consider the structure, but also considering the effects of horizontal load and vertical load combination buildings, must control the horizontal displacement produced by the wind
load(earthquake).
Key words: high-rise buildings; Structure types; Seismic design
随着中国经济迅速发展，城乡建设规模扩大带动了建筑业的发展与繁荣，高层建筑的高度继续向着更高的方向发展，结构所承担的荷载和倾覆力矩也越来越大，也就对建筑技术要求越来越严格、越系统化。

但是高层建筑结构复杂，结构分布安全计算不能很好地满足结构安全性可靠性的要求，所以设计概念需要不断地更新。

从而需要对结构工程师提出更高的要求，运用概念设计的思想突破常规进行创造性的设计。

一、概念设计特点
概念设计属于建筑设计的初步设计阶段，是根据高层建筑的特点进行有重点全面的且不经过数值计算的整体设计。

是运用宏观的思维方法从整体的角度来确定建筑的总体布置以及考虑高层建筑将会收到的地震作用、风作用、温度作用。

1、整体设计原则
首先需要对设计建筑涉及的各个方面进行全盘考虑，可分为安全性、适用性、经济、美观以及功能。

以及结构方案的选定和布置、关键部位和薄弱环节的判定和加强、荷载和作用传递路径的设置、结构整体稳定性保证以及承载力和结构刚度在平面内和沿高度的均匀分配；结构分析理论的基本假定等等。

因此，结构工程不仅要成为结构功能要求的实现者，而且要成为建筑功能要求实现的积极参与者，与建筑师一道创造性的作出总体建筑设计。

在建筑方案设计阶段，需要结构工程师对结构体系的总体认识，对结构受力和变形特性的整体概念，也需要关于结构设计的经验和判断，因此对结构工程师的要求较高。

2、最简原则
由于高层建筑极易受到当地固有的自然条件，地基土条件，地下水的影响，以及易受到当地的历史人文条件的影响，所以在概念设计初期应进行地基考察，在满足建筑要求的基础上采用最简方案，以满足经济、安全和功能要求。

3.平面布置原则
高层建筑机构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002，在高层建筑的一个独立的结构单元内结构平面平面易最简、规则、对称、刚度和承载力分布均匀、减少偏心，不应采用严重不规则的平面布置。

地震区高层建筑结构的平面布置应符合下列要求：平面布置宜最简、规则、对称，减少偏心，平面长度L及结构平面外伸部分长度均不宜过长。

二、结构体系
结构体系是指结构抵抗竖向荷载和水平荷载时传力途径及构件组成方式，竖向荷载通过水平构件（楼盖）和竖向构件（柱、墙、斜撑等）传递到基础，这是最基本的传力体系；而在高层建筑中，房屋承受的水平作用（风荷载、水平地震作用)则需通过抗侧力体系传到基础。

由于高层建筑中抗水平力成为设计的主要矛盾，因此采用何种抗侧力体系是结构设计的关键性问题。

1、框架结构
框架结构体系一般用于钢结构和混凝土结构中，由梁、柱通过节点构成的承载结构称为框架结构体系，其中梁、柱、基础构成的平面框架是主要的承重结构，各平面框架在由梁联系起来，形成空间结构体系。

框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业厅、教室等。

需要时，可用隔断分割成小房间，或拆除隔断改成大房间，因而使用灵活。

外墙采用非承重构件，可使立面设计灵活多变。

但是框架结构本身刚度不大，抗侧力能力差，水平荷载作用下会产生较大的位移，地震作用下较易破坏。

2、剪力墙结构
剪力墙结构体系是利用建筑物墙体作
为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构体
系，墙体同时作为维护和分割构件，通常
为混凝土墙。

我国《建筑抗震设计规范》
（GB50011-2001）将其称为抗震墙，《建
筑结构设计术语和符号标准》(GB/T50083)
称其为结构墙。

由于剪力墙能够有效抵抗
水平荷载，因此剪力墙具有以下的主要特
点:抗侧刚度大侧移小、室内墙面平整、平
面布置不灵活、结构自重大吸收地震能量
大、施工麻烦造价较高。

3、框架-剪力墙结构
框架一剪力墙结构体系由框架和剪力墙组成。

剪力墙作为主要的水平荷载承受的构件，框架和剪力墙协同工作、取长补短共同抵抗水平荷载和竖向荷载这种体系称为框架-剪力墙体系。

在框架一剪力墙结构中，由于剪力墙刚度大，剪力墙承担大部分水平力（有时可以达到80%~90%），是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高。

框架则承受竖向荷载，提供较大的使用空间，同时承担少部分水平力。

框架-剪力墙结构体系是一种多道抗震设防结构体系。

在地震作用下简历墙结构为第一道防线，框架结构为第二道防线。

由于有了剪力墙，其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙和外墙）的损坏。

这样无论在非地震区还是地震区，都可以用来建造较高的高层建筑。

还可以把中间部分的剪力墙形成简体结构，布置在内部，外部柱子的布置就可以十分灵活；内筒采用滑模施工，外围的框架柱断面小、开间大、跨度大，很适合现在的建筑设计。

4、筒体结构
筒体结构包括框架核心筒结构、筒中筒结构、多束结构。

此外还包括板-柱结构、板柱-剪力墙结构。

框架核心筒结构是由钢筋混凝土核心筒和周边边框架组成，框架柱距比较大一般为5-8M，主要抗侧力结构为核心筒。

筒中筒结构的内筒一般是由钢筋混凝土剪力墙和连梁组成的薄壁筒，外筒为密柱和裙梁组成的框筒，框筒柱距较密，一般为3-4M。

简体结构是空间结构，其抵抗水平作用的能力更大，因而特别适合在超高层结构中采用。

目前世界最高的100幢高层建筑约有2/3采用筒体结构。

三、抗震设计
概念设计中的抗震设计要求为“小震不坏，中震可修，大震不倒”所以在设计中应尽可能的体现结构的“简单，规则，均匀，对称”原则为了达到这一要求，结构必须有一定的塑性变形能力来吸收地震所产生的能量，减弱地震破坏的影响。

对于高层建筑结构，可以设想成为一个从地基神奇的竖向悬臂构件，承受水平侧向荷载和竖向重力荷载的作用侧向荷载是由风吹向建筑物引起的水平压力和水平吸力，或者是由地震时地面晃动引起的水平惯性力。

重力荷载则是建筑物自身的总重力荷载。

1、水平荷载
伴随建筑结构逐渐增高，水平荷载中风荷载和地震荷载的影响越来越大，甚至对整个工程具有决定性的作用。

在高层建筑设计中，风荷载得到强弱不仅有自然特性决定，还有建筑的体型特征的影响更需要对风振响应和风振系数计算加以重视。

2、控制侧向位移
控制侧向位移是抗震设防中的重要指标，在高层建筑的起着关键决定性的作用。

随着建筑结构的增高，在水平作用下侧向变形迅速增大，结构侧移与建筑高度的四次方成正比，侧向位移过大将使结构产生附加内力，附加偏心力超过一定限值时，将会引取整个结构的倒塌，因此必须将侧移限制在一定的范围之内,也就是结构构件应具有必要的强度、刚度、稳定性，这样才能保证结构安全以及使用功能。

3、延性设计
高层建筑结构随着高度增加,显得更柔,在地震作用下变形较大。

这就要求结构要有良好的延性才能做到“小震不坏，中震能修，大震不倒”,设计应遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点、强底层柱（墙）”的设计原则，尽可能设置多道抗震防线，主要耗能构件应有较高的延性和适当的刚度，使结构能吸收和消耗大量的地震能量，适当处理构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，应避免部份构件超强设计，
造成结构的其他部位相对博弱。

要有目的、有意识的控制博弱部位，使之有足构的变形能力又不使薄弱层发生转移。

在结构构造上采取有利的加强措施,使得建筑结构具有足够的延性才能维持一定的承载力。

[1]沈小璞，陈道政、高层建筑结构设计、武汉：武汉大学出版社，2014
[2]沈蒲生、高层建筑结构设计、北京:中国建筑工业出版社，2006
[3]郭仁俊、高层建筑框架-剪力墙结构设计、北京：中国建筑工业出版社，20047
[4]刘大海，杨翠如，钟锡根、高层建筑抗震设计、北京：中国建筑工业出版社，1993。