高层建筑结构设计选型

浅谈高层建筑结构设计与选型
摘要：高层建筑的结构体系是高层结构是否合理、经济的关键,随着建筑高度和功能的发展需要而不断发展变化。

本文总结了高层建筑的结构布置与结构特点，对高层建筑结构选型方法进行了探讨。

关键词：高层结构特点选型
一高层建筑结构的布置原则与要求
1.1 结构平面布置。

平面形状简单、规则、对称，尽量使质心和刚心重合。

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。

扭转是否过大,可用概念设计方法近似计算刚心、质心及偏心距后进行判断,还可以比较结构最远边缘处的最大层间变形和质心处的层间变形,其比值超过1.1者,可以认为扭转太大而结构不规则。

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。

1.2 结构立面布置。

结构竖向布置最基本的原则是规则、均匀。

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；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。

上部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。

收进的部位越高,收进后的平面尺寸越小,高振型的影响明显加大。

如果上部楼层外挑,造成“头重脚轻”的状况,将使扭转反映明显加大,竖向地震影响也明显变大。

二高层建筑结构特点
2.1水平荷载对结构的影响大，侧移成为结构设计的主要控制目标之一。

对一般建筑物，其材料用量、造价及结构方案的确定主要由竖向荷载控制，而在高层建筑结构中，高宽比增大，水平荷载（包括风力和地震力）产生的侧移和内力所占比重增大，成为确定结构方案、材料用量和造价的决定因素。

其根本原因就是侧移和内力随高度的增加而迅速增长。

2.2楼（屋）盖结构整体性要求高。

高层建筑结构的整体共同工作特性主要是各层楼板（包括楼面梁系）作用的结果，由于楼板在自身平面内的刚度很大，变形较小，故在高层建筑中一般都假定楼板在自产生平面内只有刚体位移（仅产生平动和转动），而不改变形状，并忽略楼板平面之外的刚度。

因此，在高层建筑结构中的任一楼层高度处，各抗侧力结构都要受到楼板刚体移动的制约，即所谓的位移协调，这时抗侧刚度大的竖向平面结构必然要分担较多的水平力。

2.3高层建筑结构中构件的多种变形影响大。

在一般房屋结构分析中，通常只考虑构件弯曲变形的影响，而忽略构件轴向变形和剪切变形的影响，一般是因为其构件的轴力和剪力产生的影响很小。

而对于高层建筑结构，由于层数多、高度高，轴力很大，从而沿高度逐渐积累的轴向变形很显著，中部构件与边部、角部构件的轴向变形差别大，对结构内力分配的影响大，因而构件中的轴向变形影响必须加以考虑。

2.4结构受到动力荷载作用时的动力效应大。

根据结构本身的特点不同，如结构的类型与形式，结构的高度与高宽比，结构的自振周期与材料的阻尼比等的不同，结构受到地震作用或风荷载作用时，产生的动力效应对结构的影响也不同，有时这种动力效应严重影响建筑物的正常使用，甚至造成房屋的破坏。

2.5扭转效应大。

当结构的质量分布、刚度分布不均匀时，高层建筑结构在水平荷载作用下容易产生较大的扭转作用，扭转作用会使抗侧力构件的侧移发生变化，从而影响各个抗侧力结构构件（柱、剪力墙或筒体）所受到的剪力，并进而影响各个抗侧力结构构件及其他构件的内力与变形。

因此，在高层建筑结构设计中，结构的扭转效应也是不可忽视的问题。

2.6必须重视结构的整体稳定和抗倾覆问题。

在高层建筑结构设计中，应该重视结构的整体稳定性与结构的抗倾覆能力，防止结构发生整体失稳的破坏情况。

2.7当建筑物高度很大时，结构内外与上下的温差过大而产生的
温度内力和温度位移也是高层建筑结构必须加以考虑的问题。

三高层建筑结构选型的若干思考
选型工作具有很强的综合性，包含大量确定与不确定的因素,受诸多条件和因素影响,高层结构是否合理、经济的关键,随着建筑高度和功能的发展需要而不断发展变化。

除了要考虑工程造价和投资能力,还要考虑所选结构型式对建筑功能的适应性,施工条件,技术能力,施工工期,建筑材料和能源供应,建筑美学要求包括建筑群及其环境的配合，建设场地的地形地貌自然灾害等等。

3.1竖向承重结构的选型：在对竖向承重结构进行选型时,首先考虑的是建筑物的高度和用途。

不同结构体系的强度和刚度是不一样的,因而它们适应的高度也不同。

一般说来,框架结构适用于高度低、层数少、设防烈度低的情况;框架—剪力墙结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求;层数很多或设防烈度较高时,可用筒体结构。

当建筑物的高度超出规范表中数值时,要进行专门的研究,采取有效的措施。

选择结构体系应考虑的另一个因素是建筑物的用途。

目前国内高层建筑按用途大体上可分三大类:住宅、旅馆及公共性建筑(办公、商业、科研、教学、医院等)。

住宅建筑一般采用剪力墙结构。

3.2水平承重结构的选型：水平承重结构对保证建筑物的整体稳定和传递水平力有重要作用。

水平承重结构选型通常有以下几种,平板体系、无梁楼盖、密肋楼盖和肋形楼盖。

平板体系:平板体系采用单向板或双向板,常用于剪力墙结构或筒体结构。

其优点是板
底平整,可以不加吊顶,结构高度低,可以降低层高。

但当跨度大时,采用平板较困难,一般非预应力平板不宜成过6m,预应力平板不宜超过9m,否则平板厚度过大,楼面重量太大。

采用现浇预应力无粘结平板楼面可以减少板厚。

无梁楼盖:在层高受限制情况下,公用建筑常采用无梁楼盖。

无梁楼盖最好带现浇柱帽,以加强板柱连接的可靠性。

无梁楼盖的合适跨度是:普通钢筋混凝土楼面6m以内;预应力混凝土楼面可达9m。

密肋楼盖:密肋楼盖多用在跨度较大而梁高受限制的情况下。

筒体结构角区楼面也常用密肋楼盖。

当采用装配式楼板时,框架－剪力墙结构应加混凝土现浇面层。

楼盖结构应满足:房屋高度超过50m时,框架—剪力墙结构、筒体结构及复杂高层建筑结构应采用现浇搂盖结构;剪力墙结构和框架结构宜采用现浇结构。

房屋高度不超过50m时,8、9度抗震设计的框架-剪力墙结构宜采用现浇楼盖结构;6、7度抗震设计的框架-剪力墙结构可采用装配整体式楼盖;框架结构和剪力墙结构可采用装配式结构。

同时对于现浇楼盖,混凝土强度等级不宜低于c20,也不宜高于c40。

3.3下部结构的选型：高层建筑的基础是高层建筑的重要组成部分。

它将上部结构传来的巨大荷载传递给地基。

高层建筑基础形式选择的好坏,不但关系到结构的安全,而且对房屋的造价、施工工期等有重大的影响。

高层建筑基础形式通常有以下几种:(1)柱下独立基础:适用于层数不多、土质较好的框架结构。

当地基为岩石时,可采用地锚将基础锚固在岩石上,锚入长度≥40d。

(2)交叉梁基础:即双向为条形基础。

适用:层数不多、土质一般的框架、剪力墙、框
架－剪力墙结构。

(3)片筏基础:适用于层数不多土质较弱或层数较多土质较好时采用。

当基岩埋置深度很深,水下水位又很高,但是在距地表不深处有一定承载力和一定厚度的持力层时,选用片筏基础比选用桩基础可以节省投资和缩短工期。

但片筏基础的刚度较弱,应注意对基础不均匀沉降、变形和裂缝进行验算。

当地下水位很高时,还要进行抗浮验算。

(4)复合基础:适用于层数较多或土质较弱时采用。

可用于填土、饱和及非饱和粘性土。

cfg桩复合地基是高粘结强度复合地基代表,目前它已大量应用于高层建筑地基。

它既可适用于条形、独立基础,也可用于筏基和箱形基础。

结语：高层建筑物有效地减轻了住房压力,但必然也带来了安全隐患,其结构设计显得尤为重要，随着设计理念的不断发展,高层建筑物必将朝着更加合理的方向发展。

高层建筑结构的选型与结构布置直接影响着结构的安全性与经济性，设计中应根据房屋的高度、高宽比等多方面因素选取合理的结构体系。