高层建筑结构设计研究

高层建筑结构设计研究

【摘要】本文主要分析了高层建筑结构设计的所具有一些特点，介绍了高层建筑结构设计的一些基本原则，并总结了现阶段高层建筑结构设计中所需要注意的一些要点，最后介绍了高层建筑结构型式选择的一些方法。

【关键词】高层建筑；结构设计；设计方法

引言

实现高层建筑内部结构的功能，需要发挥结构设计工程师的作用，充分利用结构的性能并协调好投资成本，从而合理地设计出满足高层建筑结构功能要求的构造。要做好高层建筑结构设计，需要很好地运用概念设计理念。由于高层建筑结构不同体系具有不同的力学特性，在进行结构设计时，需结合不同的设计计算方法和构造处理措施，不断吸取工程实践经验才能取得良好的结构设计方案。

1、高层建筑结构设计特点

高层建筑的结构设计的重要性与多层、低层建筑结构的结构设计更为显著，其结构的体系的不同对于高层建筑的功能的实现具有直接的影响，也直接关系到高层建筑的施工工艺的选择、施工技术的难度以及工程质量的保证难度以及工程造价的高低等。还具有下述特点：

（1）水平荷载成为决定因素。一个原因是由于高层建筑的自重以及楼面的荷载在竖向构件的传递中引起的轴力与弯矩与建筑物

的高度成正比例关系，而建筑物结构内部的水平荷载所引起的倾覆

力矩以及由此引起的数学构件的轴力，则与建筑物的高度的平方成正比例关系；另一方面，对于高层建筑而言，建筑立面所受到的水平荷载如风荷载、地震荷载对于结构的动力特性具有较为特殊的要求。

（2）轴向变形不容忽视。城市高层建筑结构设计过程中，需要考虑其较大的竖向荷载值，其在结构的框架柱中容易产生较大的轴向变形，并由此导致连续梁出现较大弯矩，并使得结构的连续梁的中间支座存在的负弯矩降低，梁两端部以及跨中部位的正弯矩出现增大的趋势；此外还会对建筑结构中的一些预制构件的下料长度造成干扰，通常在进行结构设计过程中，需要结合轴向变形的计算结果来对下料长度进行更改；竖向荷载对结构的构件引起的一些剪力与偏移的变化，结合构件的竖向变形的允许值，容易造成一些结构不稳定可靠的结果。

（3）侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼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，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

2、高层建筑结构设计的原则

2.1 选择合理的高层建筑结构计算简图

根据结构的计算简图对高层建筑结构体系进行设计验算、稳定性验算等。使用的计算简图不恰当容易引起结构设计出现较大的失误从而导致结构安全事故的发生，因此要做好高层建筑的结构设计的

首要工作就是选择合理的计算简图。相应的计算简图还应该具有与其相匹配的结构构件的构造措施，能够确保结构的工程质量。在工程实际中，结构的节点误差应以控制在规范的允许误差范围内为宜。

2.2 选择合理的高层建筑结构基础设计

根据高层建筑的地质勘探资料所提供的工程地质条件、水文地质队建筑物的基础进行合理的设计。综合考虑高层建筑的结构型式与荷载的分布特点，并结合相邻建筑物对高层建筑基础型式的影响、以及对基础相应施工工艺的影响等因素选择适宜的基础设计方案。基础设计方案应最大程度地依托工程地质条件，充分发挥地基土对高层建筑上部结构的支撑作用，并对地基的沉降变形进行验算。高层建筑结构的基础设计，必须具有充分详细的地质勘察资料，对地层特性、地下水位分布情况进行充分的了解的基础上才能高质量地完成基础设计。

2.3 选择合理的高层建筑结构方案

高层建筑结构的设计还需要考虑工程投资成本的影响，在满足工程安全的前提下，尽可能选择施工工艺简便、工程造价低廉的设计方案。结构的荷载及力学传递路线应简单、明确。对于相同的结构单元，都要求其结构体系保持一致，尤其是出于高烈度地震区，应尽量地保证结构的平面布置及竖向布置为规则形式。通盘考虑工程地质条件、周边已建建筑物分布特点、建筑功能的要求、施工技术条件、工程材料供应情况、以及建筑物其它专业的配合问题，并最

终结合工程造价的因素，来确定合理的结构设计方案。

2.4 对计算结果进行准确的分析

随着各种建筑结构计算软件在高层建筑结构设计工作中应用，由于软件的差异导致设计计算结果有所区别。因此高层建筑结构设计工程师应对软件的计算功能及设计结果的可靠性进行全面的了解，选择合适的计算软件。由于计算机软件内部存在固定的程序，进行建筑结构设计时，容易由于某些参数的变化而导致计算结果出现较大的偏差，因此需要设计人员进行有效的人工干预，对计算结果进行有效的校核，确保计算结果的可靠性。

3、高层建筑结构体系的选型

建筑的结构在抵抗来自于水平方向和竖直方向的荷载时构件的

组成形式和传力的路径就是高层建筑的结构体系。通过包括墙，柱等的竖向构件和楼盖等水平构件将竖向荷载传递到基础，利用抗侧力体系将水平荷载传递到基础。

根据高层建筑结构的材料将高层建筑的结构体系分为钢筋混凝

土结构体系，钢结构体系，钢-混凝土混合结构体系以及钢-混凝土组合结构体系。钢筋混凝土结构体系被广泛的应用在各类的工程结构中，具有混凝土和钢筋两种材料的协同受力性能特征，造价低廉，耐久耐火，成本低，整体性能优良，但存在着自重大，延性差，施工慢等缺点；钢结构体系的强度高，抗震性能比较好，施工方便，跨度大，用途多，但是存在着费用高，防火性能差，施工复杂等不足；钢-混凝土混合结构结合了钢筋混凝土构件和钢构件的长处，

不但增加了钢构件的材料强度，同时具有较高的抗震性能，成本低廉，然而这两种材料构件的连接技术还存在着不足；钢-混凝土组合结构具有承载能力高，抗震性能强，比钢结构具有更优良的耐火性，施工速度快，但是存在着节点的构造比较复杂的缺点，一般被用于小偏心受压构件。

根据结构形式可以将高层建筑结构分为框架结构体系，剪力墙结构体系，框架-剪力墙结构体系。利用柱，梁等结构体系作为高层建筑竖向承重的结构，并且承受水平荷载，这种结构侧向位移大，框架结构内力大，适于 50m 高度以下的建筑；通过高层建筑的墙体当做抵抗侧力和竖向承重的结构体系，就是剪力墙结构体系。利用框架和剪力墙组合的而构成的结构形式就是框架-剪力墙结构体系，这种结构形式不但具有实用性强，布局灵活的优点，同时承受水平负载的能力更高，在高层建筑中被广泛使用。在框架-剪力墙结构体系中，需要注意考虑剪力墙的位置，设计合理的剪力墙的数量，以及满足框架的设计要求

4、结语

城市高层建筑的结构设计工作是一项对设计人员综合素质能力要求较高的工作，其工作的优劣对于建筑物功能及相关性能的实现具有重要意义。随着我国城市建设步伐加快，人口密度急剧膨胀，城市高层建筑建设需求日益旺盛，对高层建筑结构设计人员也提出更高的要求。本文为结构设计人员提供了一些从事高层建筑结构设计工作所需要注意的要点，并重点分析了如何进行高层建筑结构体