简析高层建筑结构设计的原则及策略

简析高层建筑结构设计的原则及策略摘要：随着经济的快速发展，高层建筑在我国大部分城市也陆续涌现。

对于高层建筑结构而言，其结构体系的选择，更主要的是与荷载因素相关，因此，本文探讨高层建筑结构的设计首先必须以其不同结构体系产生的影响为依据，选择最为合理的方案。

关键词：高层建筑；结构设计；策略
abstract: with the rapid development of economy, high-rise buildings in most of our cities also have emerged. for high-rise building structure is concerned, its choice of structural system, and more importantly and load factors, therefore, this paper discusses the structure of the
high-rise building design must first with different structure system based on the influence of, choose the most reasonable scheme.
keywords: high building; structure design; strategy
中图分类号：tu318文献标识码：a 文章编号：
1高层建筑结构设计的原则
适用、安全、经济、美观、便于施工是进行高层建筑结构设计的原则。

一个优秀的建筑结构设计往往是这五个方面的最佳结合。

完美的建筑结构设计就是在努力追求这五个方面的最佳结合的过
程中产生的,适用、安全、经济、美观、便于施工是结构设计人员
最终努力的目标,是结构设计的最佳体现。

结构设计一般在建筑设计之后,“受制”于建筑设计,但又“反制”于建筑设计。

结构设计不能破坏建筑设计,应满足、实现各种建筑要求;高层建筑设计不能超出结构设计的能力范围,不能超出
安全、经济、合理的结构设计原则。

结构设计决定高层建筑设计能否实现,从这个意义上讲,结构设计显得更为重要,虽然一栋标志性建筑物建成后,人们只知道建筑师的名字,但一个适用、安全、经济、美观、便于施工的结构设计也是工程师们的骄傲和成就。

2高层建筑结构设计的特点
高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各
专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平
面的布置、立面体形、楼层高度、施工技术的要求、施工工期长短和投
资造价的高低等。

其主要特点有：
2.1 水平力是设计主要因素
在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。

而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。

因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比（n=wh）；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及
由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比(水平均布荷载：m=1/2qh2，水平倒三角形荷载：m=1/3qh2)，如图一示。

另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

2.2 侧移成为设计的控制指标与低层或多层建筑不同，结构侧移成为高层结构设计中的关键因素。

随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与建筑高度h 的4 次方成正比：此外，高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，否则会产生以下情况：①因侧移产生较大的附加内力，尤其是竖向构件，当侧向位移增大时，偏心加剧，因p- △效应而使结构产生的附加内力，甚至破坏；②使居住人员产生不安全感；③使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用。

2.3 抗震设计要求更高，延性成为结构设计的重要指标有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、中震可修、大震不倒。

结构的抗震性能决于其“能量吸收与耗散”能力的大小，即决于结构延性的大小。

延性是表示构件和结构屈服后，具有承载能力不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能，通长采用
延性系数μ来衡量延性的大小，μ=△u/△y如图2。

3.3概念设计与理论计算同等重要
概念设计是指一些难以做出精确力学分析或在规范中难以具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，做出判断，以便采取相应措施。

概念设计带有一定经验性。

高层建筑结构的抗震设计计算是在一定假定条件下进行的。

尽管分析的手段不断提高，分析的原理不断完善，但是由于地震作用的复杂性和不确定性，地基土影响的复杂性和结构体系本身的复杂性，可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多。

尤其是当结构进入弹塑性阶段之后，会出现构件的局部开裂，甚至破坏，这时结构就很难用常规的计算原理去进行内力分析。

实践表明，在设计中把握好高层建筑的概念设计，从整体上提高建筑的抗震能力，消除结构中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和结构措施，才能设计出具有良好抗震性能的高层建筑。

将注重概念设计作为高层建筑结构的最高原则提出其主要内容为：应特别重视建筑结构的规则性(包括平面规则性和竖向规则性)；合理选择建筑结构体系包括：a.明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；b.避免因部分结构构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力、风载和地震作用的能力；c.结构体系应具备必要的承载能力和良好的变形能力，从而形成良好的耗能能力；采取必要的抗震措施提高结构构件的延性。

3高层建筑的结构体系
3.1框架结构体系
由梁、柱、基础构成平面框架，它是主要承重结构，各平面框架再由梁联系起来，形成空间结构体系。

框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业厅、教室等。

需要时，可用隔断分割成小房间，或拆除隔断改成大房间，因而使用灵活。

外墙采用非承重构件，可使立面设计灵活多变。

但是框架结构本身刚度不大，抗侧力能力差，水平荷载作用下会产生较大的位移，地震荷载作用下较易破坏。

不高于15层宜采用框架结构，可以达到比较好的经济平衡点。

3.2剪力墙结构体系
剪力墙结构体系是利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构体系。

墙体同时作为维护及房间分隔构件。

剪力墙间距一般为3～8m，现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求容易满足，适于建造较高的高层建筑。

而且其抗震性能良好，在历次的地震中，都表现了很好的抗震性能，震害较少发生，程度也很轻微。

但是剪力墙结构间距不能太大，平面布置不灵活，而且不宜开过大的洞口，自重往往也较大，不是很能满足公共建筑的使用要求，而且其成本也较大。

3.3框架－剪力墙结构体系
框架－剪力墙结构体系由框架和剪力墙组成。

剪力墙作为主要的水平荷载承受的构件，框架和剪力墙协同工作的体系。

在框架－剪力墙结构中，由于剪力墙刚度大，剪力墙承担大部分水平力（有时可以达到80%~90%），是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大
提高。

框架则承受竖向荷载，提供较大的使用空间，同时承担少部分水平力。

由于有了剪力墙，其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙和外墙）的损坏。

这样无论在非地震区还是地震区，都可以用来建造较高的高层建筑。

还可以把中间部分的剪力墙形成筒体结构，布置在内部，外部柱子的布置就可以十分灵活；内筒采用滑模施工，外围的框架柱断面小、开间大、跨度大，很适合现在的建筑设计要求。

除了上述的几种结构体系外，还有其他一些结构体系，如薄壳、膜结构、网架等。

随着时代的进步，会涌现出越来越多更好的结构体系。

这就需要不断学习，从各方面考虑运用经济合理的手段到达目标。

4结语
总之，高层建筑的高度和数量，从一个侧面反映一个国家科学技术水平和经济发展程度但对于高层建筑亦应适当控制，即要与原有建筑相协调，还要与城市历史特点相协调。

参考文献
[1]吴晓琳。

浅析高层建筑结构设计与特点[j]。

中国高新技术企业，2009（11）
[2]何辉，吴祖跃。

浅谈高层建筑结构的设计与分析[j]。

科技创新导报，2009（13）
注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。