高层建筑结构设计基本概念及设计步骤

1. 高层建筑结构的定义

以上选自《高规》。

拿到一个项目首先要分清楚是否属于高层建筑结构，再进行下一步的工作，因为高层与多层在规范要求上有部分是不一样的（例如：整体指标的计算、抗震构造措施的变化等等）。

2. 剪力墙结构体系

剪力墙结构体系是由剪力墙同时承受竖向荷载和侧向水平力的，利用建筑专业给定的墙体，布置钢筋混凝土墙（即剪力墙），从受力上讲剪力墙是一个悬臂板(平面内)。（名称：抗规是抗震墙、高规是剪力墙、也称之为钢筋混凝土墙）

剪力墙结构体系是指：剪力墙和由于剪力墙开洞而形成的连梁组成的结构。

连梁是指两端与剪力墙在平面内相连的梁。一般在风荷载和地震荷载的作用下 ,连梁的内力往往很大。连梁是第一道防线，能够很好地起到耗能的作用。(高层剪力墙结构中梁的种类)

要能够形象地理解连梁的工作原理：在水平力作用下，墙肢产生弯曲变形，连梁为了协调这种变形，产生内力，梁端产生的弯矩、剪力、轴力反作用于墙肢，约束墙肢变形，反复作用下，梁端形成塑性绞，结构刚度降低，变形加大，从而吸收大量的地震能量，同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，对墙肢起到一定的约束作用，使剪力墙保持足够的刚度和强度，不至于发生倾覆和倒塌，此即为延性破坏。在这一过程中，连梁起到了一种耗能的作用，对减少墙肢内力，延缓墙肢屈服有着重要的作用。此种工作状态是最理想的状态，属于延性破坏，塑性铰的形成对耗能起到了很大的作用，而耗能能力的大小取决于塑性铰的转动能力。此种情况一般出现在连梁跨高比较大的时候（不小于5，高规275页7.1.2建议宜大于6就是这个原因）。而脆性破坏是指对于跨高比较小的连梁，刚度大，吸收的地震力也大，发生剪切破坏时，各墙肢丧失了连梁对它的约束作用，将成为单片的独立墙。这会使结构的侧向刚度大大降低，变形加大，墙肢弯矩加大，由于没有连梁的约束，可能导致结构的倒塌（根源在于转动能力很弱）。连梁越柔，协调变形的能力越强，延性越好。

高层剪力墙结构中，连梁是第一道防线，要保证连梁是延性破坏，起到耗能的作用，保证强墙弱连梁。设计时尽量避免采用强连梁（跨高比小于2.5的连梁），尽量采取减小梁高加大跨度的办法达到设计的要求。

3.高层建筑结构的受力性能

高层建筑结构，风荷载和水平地震作用是影响结构内力、变形的主要因素（此处区别于多层框架，多层框架结构中一般是竖向荷载起控制作用）。

高层建筑结构可以认为是从其自身地基上升起的竖向悬臂构件，可以认为是一个悬臂梁，承受着水平荷载(风、地震)和竖向荷载（自重、恒活荷载）。大家在理解高层建筑结构的时候可以和悬挑梁对比来理解，例如：底部加强区的设定、高宽比对经济性的影响等等。

4.与框架结构的区别

框架结构属于一种比较柔的结构形式，不能做太高，但是对于剪力墙结构，由于其自身刚度较大，抗侧力能力很强，能够做的比较高，因此在高层中普遍应用。框架柱与剪力墙在抵抗水平地震方面，其能力不是一个量级的。截面截面惯性矩I. (理解剪力墙平面内平面外、截面高度)

首先要理解反弯点的概念（从弯矩图和变形两个角度来理解，也是理解结构设计的原理之一，即力与变形的关系）。反弯点：弯矩一正一负的零点位置；变形突变的点。反弯点的出现从根本上来讲是竖向构件与水平梁的线刚度的比值来决定的，墙体的刚度

相对于连梁来说是很大的，因此不会在墙体内出现反弯点，而框架柱的刚度相对于梁来说不会相差很大，因此会出现反弯点。

4.1下图为框架结构的受力图，整体变形为剪切型变形。

变形为剪切型变形，决定了框架结构的位移底部最大，从而影响了框架结构的很多特性（如：不能做很高、填充墙在地震时候是底层破坏严重等）。

4.2下图为纯剪力墙结构的受力图，整体变形为弯曲型

以上两图剪力墙上开洞面积较小，弯矩图仅仅有局部突变，基本上没有反弯点，变形以弯曲型为主。

上图为双肢墙及多肢墙，弯矩图仅仅有局部突变，基本上没有反弯点，变形以弯曲型为主。

图中弯矩图在楼层位置突变，出现反弯点，与框架的受力性能接近，因此变形是以剪切型变形为主，应当注意在高层建筑中尽量避免。因此高规规定了墙肢高度与厚度的比值，7.1.8.

当墙肢的截面高度与厚度之比不大于4时，宜按框架柱进行截面设计。

4.3 结论：楼层内是否出现反弯点，决定了结构体系的受力性能。

从以上图中可以得知，剪力墙的受力特点与洞口的大小有关，即与连梁的刚度有关。

连梁与墙肢的线刚度比值决定着反弯点是否出现，当开洞过大的时候，且墙肢高厚比很小的时候，墙肢过分削弱，导致反弯点的出现。

结构设计中，一般的情况是双肢墙或多肢墙的情况，弯矩为齿状，此时的连梁起着连接墙肢，保证墙体整体稳定性的作用，因此高规条文说明：本规程所指的剪力墙结构是以剪力墙及因剪力墙开洞形成的连梁组成的结构，其变形特点为弯曲型变形，目前有些项目采用了大部分由跨高比较大的框架梁联系的剪力墙形成的结构体系，这样的结构虽然剪力墙较多，但受力和变形特性接近框架结构，当层数较多时对抗震是不利的，宜避免。

5.高层建筑结构的设计步骤

所有的结构设计工作步骤：统计外力作用、建立计算模型、计算构件内力、由内力算配筋、构造加强措施。

（先看整体布局，然后看楼梯电梯风井卫生间夹层吊车立面造型等构件和总体的关系以及可能对结构造成的影响。）

设计详细步骤：高层建筑结构设计步骤

（1）、看懂建筑图（此时的建筑图一般只有大平面或者简单的立面，建筑图没有细化）对建筑关系有一个大体的了解。

(2) 根据经验确定大致的墙厚，以及结构墙体的位置，板块的划分（梁和墙体的布置），并初步建模试算（注意satwe参数设置要正确）更要注意建筑的平面和竖向的体型。在这个过程，会和建筑专业不断地沟通。

（3）、根据satwe计算结果，对模型进行调整，整体计算注意几个比值和参数（层间位移角、轴压比、位移比、周期比、刚度比、剪重比、刚重比、层间受剪承载力之比，平均重度）一定满足规范要求；对于连梁和墙体，要注意查看配筋率是否合理。

(4)、整体指标、单个构件计算满足规范要求并且经济合理之后，模型尽量不要再进行大的调整。并将截面尺寸以及墙体定位提给建筑专业、水电暖专业。

注重平时的积累，大部分人都是在完成一个项目的时候就放松。而我完成一个项目之后就回去查资料，做一个修改总结。争取下一回不犯同样的错误。画图的时候有些什么不便的地方可以改变。当画图的时候，我是不去找捷径的。因为有的时候寻找捷径的时间，你用笨方法已经画完了。而你寻找捷径很有可能捷径没找到，时间也浪费了。

突然发现大百分之五十的错误都来源于楼梯对结构的影响。所有我建议新手最好能好好先把楼梯画清楚。然后再考虑总体。这样能很大程度避免楼梯给你带来的结构模型上和施工图上的错误。