高层建筑结构设计特点及体系分析

高层建筑结构设计特点及体系分析

发表时间：2016-07-08T16:27:19.500Z 来源：《基层建设》2016年6期作者：李晓瑞

[导读] 近年来，我国高层建筑设计及施工又有很大的发展，各种结构型式得到充分应用。

广西南都建筑设计有限公司 530021

摘要：近年来，我国高层建筑设计及施工又有很大的发展，各种结构型式得到充分应用，高层建筑的体型和功能更加多样化，结构复杂程度增加。基于此本文着重对高层建筑结构设计特点及体系进行了分析，旨在为提高高层建设工程质量提供参考。

关键词：高层建筑；结构设计；体系

前言

高层建筑结构的最主要特点是水平荷载为设计的主要因素，侧移限值为确定各抗侧力构件数量和截面尺寸的控制指标。有些构件除必须考虑弯曲变形外，尚需考虑轴向变形和剪切变形的影响，地震区的高层建筑结构还需要控制结构和构件的延性指标。目前国内高层建筑类型不断增多，发展较快，由此需要结合钢结构和混凝土结构的优点，承载力高、延性好、变形能力强等理论基础，对建筑结构设计进行研究。

1高层建筑结构设计特点分析

1.1重视侧向荷载对结构的影响

随着建筑高度的增大，侧向荷载对结构影响的增长速率大于竖向荷载的增长速率，到某一高度时，侧向荷载对结构的影响将超过竖向荷载。从这开始，侧向荷载将成为确定高层建筑结构方案和影响土建造价的决定性因素。为此，对侧向荷载的作用，该倍加关注。

1.2结构设计除需满足承载力以外，还需满足侧移要求

（1）侧移的限值

结构受侧向荷载后，结构将发生水平变位——侧移。按侧移对结构的影响，可分为绝对侧移和层间侧移这两项。这里，绝对侧移是指建筑结构相对于地面原点的水平变位大小；而层间侧移则是指两相邻楼层绝对侧移值之差(见图1)。绝对侧移量过大，将会使结构产生P-效应，增大结构内力；有时甚至还会引起电梯运行困难，增加结构倾覆和失稳的危险性；同样，层间侧移过大，将会导致装修和非承重墙体的损伤[1]。

图1绝对侧移和层间侧移

（2）减少侧移的途径

一是减少风荷载或地震作用。对不考虑地震作用的高层建筑，风荷载是侧向荷载中的主要荷载。减少风荷载，就可减少侧移量。圆形平面时的风荷载最小，约只为矩形平面时的60%；即使将房屋的已定平面形状略加修饰，使之更近于流线形时，则同样也可起到减少风压的效果。

二是选用合适的结构方案。根据房屋的高度、高宽比、平面形状和它的体型，在选择结构方案时，将一并考虑控制侧移的这一因素。因一旦选定了结构方案，实际上，这时结构的侧移也就确定了。

三是设置刚性层。如我国某高层建筑 (地上37层、地下2层、高140m)，钢筋混凝土框架一核芯筒结构，平面呈单轴对称的六边形，高宽比达5.2。但由于在第20层和第35层处各设了一道刚性层，使结构的顶点侧移量、由原先的284mm降至250mm，减少了10%。

1.3注意减轻楼面自重，减少楼面的结构高度

楼面(包括楼板及楼面梁)自重将占结构竖向荷载的大部分，由于高层建筑的层数多，虽每层的竖向荷载减少有限，但积累后的值对下层的柱、墙和基础都会产生不小的影响。

在确保楼层净高不变的条件下，减少楼面的结构高度，就可减少每层的层高。积累后，有时使房屋总高不变而增加楼层层数达1层或2层；或也可在楼层层数不变的条件下，减少房屋的总高。这些都将产生十分可观的经济效益。

2高层建筑结构设计体系分析

2.1框架结构体系

对于水平荷载作用，常用的方法有以下几种：

1）反弯点法。反弯点法的基本假设是把框架巾的横粱简化为刚性梁，因而框架节点不发生转角，只有侧移，同层各柱剪力与柱的移

侧刚度系数成正比，所以，反弯点法亦可称为剪力分配法。反弯点法多用于初步设计。

2）广义反弯点法——D值法。广义反弯点法在推导反弯点高度比和侧移刚度时要考虑节点转角的影响，修改后的侧移刚度改用D表示，故称为D值法。用D值法计算结构内力、位移简单而精度较高，有相应的表格可以查用[2]。

3）无剪力分配法。无剪力分配法的应用条件是刚架中除两端兀相对线位移的杆件外，其余杆件都是剪力静定的，它多用于单跨对称刚架，对于多跨符合倍数关系的刚架也可以用无剪力分配法。

做抗震设计时，不应采用部分由框架承重、部分由砌体墙承重的混合承重形式，因为框架和砌体墙是两种性能不同的结构，框架的抗侧刚度小变形大，而砌体墙的抗侧刚度大变形小，混合承重对结构的抗震产生不利的影响。框架结构一般用于多层或低烈度区的高层建筑，因为层数高将导致梁柱截面过大和配筋增多，地震反应增大，故框架结构的建筑高度不超过60m。

2.2剪力墙结构体系

理论分析与实验研究表明，剪力墙的工作特点取决于开孔的大小。并且相关规定也给出：当墙整体系数 >10，墙肢一般不会出现反弯点时，可按整体小开口墙算法计算；当 >10，较多墙肢出现反弯点时，按壁式框架法计算，当 <10，墙肢不(或很少)出现反弯点时，按多肢墙算法计算。

整体小开口剪力墙可按材料力学方法略加修正进行计算。双肢(或多肢)剪力墙一般采用连续化方法，以沿竖向连续分布的连杆代替各层连梁的作用，用结构力学力法原理，以连梁跨中剪力为基本未知量，由切口处位移协调条件建立二阶常微分方程组。

2.3框架-剪力墙结构体系

框架-剪力墙结构计算方法通常采用连续化建立常微分方程的方法。假设楼板在自身平而内的刚度无限大，房屋体型规整，剪力墙布置对称均匀，忽略水平力作用下房屋沿竖轴的扭转。这时可将结构单元巾所有的剪力墙合并为总剪力墙，将所有框架合并为总框架，把框架视为剪力墙的“弹性地基”，按弹性地基梁的概念建立四阶微分方程求解。相应的计算图表已编制完成，供初步设计时查用。

2.4底层大空间剪力墙结构体系

底层为部分框肢的剪力墙结构是为适应底层大开间要求而采用的一种结构形式，称为底层大空间剪力墙结构。这种结构由于上部墙体与底层框架的性质不同，给计算带来一定的困难。一般采用混合法求解，对上层剪力墙部分(包括壁式框架)，仍可采用普通剪力墙计算中采用的假定，连梁用连续连杆代替，取连续连杆的剪力为基本未知量，在连续切口方向建立变形连续方程(方法方程)；在底层框架部分采用了同层各节点水平位移相等、同层各节点转角相同的假定，取底层框架的节点位移为基本未知量，对框架节点的位移方向建立相应的平衡方程(位移法方程)，用混合法求解，方法简单，精度较好。

2.5带加强层的高层建筑结构体系

筒中筒结构与框架一核心筒结构相比，前者由于外框筒是由密柱和深梁组成，有时不符合建筑立面处理和景观视线的要求，后者因外围框架由稀柱和浅梁组成，能给予建筑创作较多的选择和自由，并便于用户使用。因此，从使用功能来看，框架一核心筒结构比筒中筒结构更受用户欢迎，其应用范围更为广泛。然而，与筒中筒结构相比，框架一核心筒结构的侧向刚度比较小。为了提高其侧向刚度，减小水平荷载作用下核心筒的弯矩和侧移，可沿框架一核心筒结构房屋的高度方向每隔20层左右，于设备层或结构转换层处由核心筒伸出纵、横向伸臂与结构的外围框架柱相连，并沿外围框架设置一层楼高的带状水平梁或桁架。

结语

通过本文分析，得出以下结论：

1）高层建筑的基本抗侧力单元有框架、剪力墙和筒体等，由它们可以组成多种结构体系。结构设计时，应根据建筑物的使用功能、立面体型、高度、是否需要抗震设防以及施工条件等因素，选用合适的结构体系。 2）一般情况下，高层建筑结构宜选用框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构及筒体结构，这些结构具有竖向布置规则，传力途径简单，抗震性能好等优点。

3）高层建筑结构平面布置的基本原则是尽量避免结构扭转和局部应力集中，平面宜简单、规则、对称，刚心与质心或形心重合。 4）高层建筑结构竖向布置的基本原则是要求结构的侧向刚度和承载力自下而上逐渐减小，变化均匀、连续，不突变，避免出现柔软层或薄弱层。

参考文献：

[1]白洋,王宏.浅谈高层建筑的发展与特点[J].黑龙江科技信息.2014(14).

[2]肖峻.高层建筑结构分析与设计[J].中华建设.2013(12).

[3]周晓莉.浅谈高层建筑结构体系选型分析与结构设计[J].科技创新导报.2014(17). 作者简介：

李晓瑞（1983-），男，广西蒙山人，助理工程师，大学本科，从事结构设计工作。