浅析高层建筑结构设计与发展趋势

浅析高层建筑结构设计与发展趋势

作者：周可幸

来源：《城市建设理论研究》2013年第07期

摘要：随着建筑高度的增加，高层建筑的技术问题、建筑艺术问题、投资经济问题以及社会效益问题、环境问题等逐渐变得复杂、严峻，高层建筑的发展及对结构设计产生了很大的影响。在探讨了高层建筑结构体系类型及其优缺点的基础上，预测了高层建筑结构分析的新理论新方法及其结构设计发展的新趋势。

关键词：高层建筑；结构设计；发展趋势

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A文章编号：

引言：

住宅是人们适应自然、改造自然的产物，也是人们为了满足家庭生活的需要所构筑的空间环境，并且随着人类社会的发展而不断演变。随着改革开放的推动，我国的综合国力也在不断提高，其中房地产业的迅猛发展，让建筑业成为社会支柱产业之一。在现代社会中，因为经济的蓬勃发展，另外还有土地资源宝贵，所以高层建筑便像雨后春笋般迅速剧增，并不断壮大。这也就要求设计领域中的队伍要不断提升，以来应对现在的发展所需。

1．建筑结构的布置原则与要求

1.1 结构平面布置

结构平面形状宜简单、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 结构立体布置

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。

2．建筑结构设计有以下特点

2.1水平荷载成为决定因素。楼房的自重和楼面的使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯曲的数值，仅与楼房的高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的二次方成正比。

2.2轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成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。

2.3侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移成为高层结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

2.4结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高层结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

3．建筑的发展及对结构设计的影响

高层建筑工程平面和立面很不规则、体形特别复杂、内部空间多变，其结构形式主要包括平面不规则结构、立面收进或悬挑结构、带转换层或加强层结构、连体结构或多塔楼结构、错层结构以及不同形式组合成的结构。

另外，由于结构体系不断创新，结构分析理论不断发展，新型材料不断涌现和建造技术逐步提高，也使得很多高层建筑的设计和建造成为可能，高层建筑工程的发展对结构设计提出了新的挑战。例如，结构体系要合理有效以适应体形的要求；结构分析的难度和规模越来越大；抗震设计时要搞清楚结构的地震破坏机理并采取合理有效的措施；要使用成熟的新技术以确保工程安全和降低造价；性能设计的理念和方法要逐步体现到整个设计和运营的全过程中等。

国外高层建筑主要采用钢结构，由于受经济条件的限制，我国的高层建筑结构主要采用钢筋混凝土结构。钢结构虽然有一些缺点，但优点更为显著。2011年，重点统计单位钢产量达到58981.16万吨，同比增幅为5.00%。随着我国经济的发展，总的来说，钢材将会越来越多的得到应用，以提高施工速度及钢材报废后可以溶化加工后使用的持续性。据有关专家分析，上

部结构采用钢结构与采用混凝土结构的结构费用差价一般不到工程总投资的4%。分析表明，高层建筑采用钢混结构用钢量约为钢结构的70%，而施工速度与全钢结构相当，在综合考虑施工周期，结构占地使用面积后，钢混结构的综合经济指标优于全钢结构和全混凝土结构。因此，结构选型时可以优先考虑采用钢结构或混合结构。

4．高层建筑结构设计发展趋势

高层建筑的发展，对高层建筑结构提出了新的要求及挑战，在结构工程最核心的结构分析与设计理论方面正在孕育着新的突破，将会出现高层建筑结构分析的新理论新方法及其结构设计发展的新趋势。

4.1创立大型复杂结构分析的新理论新方法。因为发展新型结构是结构工程的重要发展方向，因此结构体系越来越新颖，故需要创立大型复杂结构、新型结构及新材料结构分析的新理论新方法。

4.2结构性能设计理论研究。结构工程遇到的挑战首先是实现基于性能的结构设计，提高结构使用性能及抗灾性能。要实现基于性能的结构设计，必须精确分析结构性能。为此，必须有考虑到结构非线性、结构不确定性、荷载不确定性及结构损伤等复杂因素的精细化分析方法，这是结构性能设计理论的客观要求。目前对于结构性能及其可靠度尚无精细化分析方法。因此，发展结构性能的精细化分析方法及结构性能的控制方法是创立结构性能设计理论的关键问题。由上述可知，结构非线性、结构不确定性、结构损伤力学是发展结构性能精细化分析方法的重要基础。因此，致力于创立结构非线性、结构不确定性及结构损伤分析的新理论新方法是当务之急，也是长远之计。

4.3结构可靠度理论研究。在结构可靠度理论研究中，应发展工程结构整体可靠度及工程结构体系可靠度的精细化分析方法，这是解决当前工程结构可靠度理论困境的出路。工程结构可靠度的精细化分析方法应综合考虑结构非线性、结构不确定性、荷载不确定性及结构损伤的影响。

4.4智能结构力学。智能结构体系对适时调节结构的能力及变形状态，改善及控制结构的使用性能及抗灾性能是一个很有前途的发展方向，引起国内外广泛关注。由此可知，创立智能结构分析的新理论新方法有重要意义。由上述可知，建立完整的结构设计理论是一个国际前沿问题。为此，与结构非线性、结构不确定性、结构性能、结构损伤等相关联的研究工作正在构成结构工程基础研究的前沿。结构的抗灾性能研究、结构可靠度基础理论已成为结构工程基础研究的主导内容，结构性能的研究与控制是一个正在引起人们广泛关注的课题。

5．结语