高层建筑结构选型论文

浅析高层建筑结构选型

【摘要】传统的结构设计是设计者根据设计要求，按本人的实践经验，参考类似的工程设计，确定结构方案，然后进行强度、刚度等各方面的计算，人们以过大的注意力集中于结构的力学分析、结构的设计和施工，而忽视了设计前阶段的许多更为重要的问题。根据高层建筑结构的受力特点，对高层建筑结构在概念阶段的设计是非常重要的。

【关键词】高层建筑;结构选型;设计

高层建筑是为了满足日益紧张的城市建设用地而出现的建筑结构形式，它的出现大大缓解了城市建设用地，更大程度的利用了空间，如今在城市化建设中的比例进一步扩大。相对多层建筑而言，高层建筑结构设计所占的地位要重要得多，这是由于高层结构形式的选择将直接关系到建筑物的平面、立面、层高、设备安装、施工技术以及工程造价等多方面因素。不当的结构形式不仅会影响使用功能和造价，严重的还会影响其抗震性能，危害建筑物安全。

１．高层建筑结构体系类型

1.1框架体系

框架体系是由竖向构件与水平构件通过节点连接而成，既承担竖向荷载，又承担水平荷载。框架体系建筑平面布置灵活，可以提供较大的建筑空间，也可以构成丰富多变的立面造型。但是其抗侧能力较弱，建筑高度不易过高。在水平荷载作用下，其内力分布特点是底层柱轴力、剪力、弯矩最大，由下往上减小，其变形规律是

虽然柱的轴力引起的侧移随高度递增，但由于框架结构的高度限制，仍以剪切型变形为主，底层之间变形最大，向上递减。

1.2框架一剪力墙体系

当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往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荷载。框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且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架一剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

1.3剪力墙体系

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。

1.4 筒体体系

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体一架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，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。筒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[1]。

２．结构选型

2.1 建筑材料的选用

由于抵抗水平力是高楼结构的主要目标，因此的抗侧力体系便成为高层结构体系的重要组成部分，抗侧力能力的强弱，则是衡量结构体系是否经济有效的尺度。在高楼单位建筑面积的结构材料用量中，用于承担重力荷载的结构材料用量，与房屋层数成线性比例增加。其中，用于楼盖结构的材料用量大体是定值，几乎与结构层数无关；用于墙、柱等竖向承重构件的材料用量，则随房屋的层数成比例增长；而用于抵抗侧力的结构材料数量，则按房屋层数二次方的关系曲线急剧增长。所选定的抗侧力体系是否经济有效，对于结构材料的用量影响很大，综合各方面条件经过精心设计所确定的最优抗侧力体系，将使结构材料用量得以大幅度下降。因此，高层建筑结构的优化设计对节约结构造价的重要性。

2.2 结构体系要满足建筑内部空间要求

高层建筑使用功能不同，建筑平面布置也就随之一变化。一般情况下，小空间平面布置方案，仅适用于住宅以及旅馆的客房部；办公楼要求大小空间兼有；餐厅、商场、展览厅及工业厂房，则要求大空间的平面布置方案；舞厅和宴会厅，更要求内部无柱的大空

间。在结构方案设计阶段，应首先考虑建筑使用功能对内部空间的需求，再结合其它条件综合考虑，确定一种既实用又经济、有效的结构体系。采用框架结构的建筑平面布置灵活，可实现大的内部空间；剪力墙结构建筑平面布置受限制，只能实现小空间；框一墙结构体系建筑平面布置比较灵活，可实现较大的内部使用空间；框一筒体系建筑平面布置灵活，可产生大的内部使用空间；且建筑采光通风均较好；筒中筒体系建筑平面布置比较灵活，可有较大的内部使用空间；框筒束体系建筑平面布置受限于密排柱网，但仍可产生大的内部使用空间[2]。

2.3 结构体系选定的原则

位于地震区的高层建筑，在确定结构体系时，除了要考虑材料用量、建筑内部空间和房屋适用高度等因素外，还需考虑抗震效果: 具有明确的计算简图和合理的地震力传递路线；具备多道抗震防线，不会因部分结构或构件失效，而导致整个体系丧失抗侧力或承受重力荷载的能力；具有必要的承载力、良好的延性和较多的耗能潜力，从而使结构体系遭遇地震时具有足够的防倒塌能力；沿水平和竖向，结构的刚度和强度分布均匀，或按需要合理分布，避免出现局部削弱或突变，防止地震时出现过大的应力集中或塑性变形集中。总之，在确定建筑方案的同时，应综合考虑房屋的设防烈度、场地类别、房屋高度、地基基础，以及施工条件等，并结合结构体系的经济、技术指标，选择最合适的结构体系。

３．高层建筑结构设计考虑的重点

3.1 水平荷载是结构设计的主要因素

在多层房屋的结构设计中，由结构自重产生的重力决定着结构设计，而在高层建筑中，水平荷载却起着决定性作用。其原因是由于楼房自重产生的载荷在构件中引起的内力仅与建筑物高度的一

次方成正比，而根据力学原理，由水平荷载对结构产生的倾覆力矩在构件中引起的轴力，则与楼房高度的两次方成正比。水平荷载主要包括风荷载和地震作用，其大小与结构的动力特性有关，是高层结构设计的重点。

3.2 结构侧移是高层结构设计中的关键指标

水平荷载作用下结构的侧向位移随着建筑物高度的增加而迅速增大，与建筑高度的4次方成正比，并且由于新材料及新的建筑形式的应用，其侧向位移也迅速增大。如果侧向位移控制不好，轻则使居住人员有着不安全的感或使填充墙等建筑装饰开裂，重则导致房屋侧塌，影响结构安全。

3.3 结构设计中非常注重抗震性能

小震不坏、大震不倒是高层建筑抗震设计的基本要求。高层建筑结构的抗震设计，除了要考虑常规设计中的竖向荷载、风荷载外，还必须考虑地震载荷，使结构具有良好的抗震性能[3]。■【参考文献】

［１］沈芳.高层建筑结构设计中应注意的几个问题[j].科技资讯，2007，21.

［２］贾鸿林.高层建筑结构设计探究[j].中国高新技术企业，