高层民用建筑结构设计研究

陈曦

【摘 要】随着社会的进步，高层建筑的发展日新月异。建筑结构的复杂化和人们生活品质的提高，给高层民用建筑结构设计带来了更大的挑战。怎样设计出安全可靠、经济合理、技术先进的高层民用建筑是设计者面临的重要问题。本文分析了影响高层民用建筑结构设计的因素，介绍了高层民用建筑结构设计布置要求，并对高层民用建筑结构设计需注意的相关问题进行了研究。

【关键词】高层建筑；结构设计；平面结构；竖向结构

1.影响高层民用建筑结构设计的因素

1.1水平荷载

水平荷载是高层民用建筑结构设计的决定因素。建筑结构整体近似于一个悬臂梁，水平荷载引起的倾覆力矩和轴力与楼房高度的平方成正比。对高层民用建筑来讲，水平荷载主要有风荷载和地震作用等，在水平荷载的作用下，建筑结构容易出现失稳现象，所以水平荷载是建筑设计过程中必须要考虑的重要因素。

1.2轴向变形

轴向变形在高层民用建筑结构设计过程中不容忽视。高层民用建筑结构设计中，建筑自重和楼层载重荷载所产生的轴力和弯矩与楼房高度的呈线性关系。高层民用建筑的竖向的荷载包括建筑自重和楼层载重等，数值很大，容易引起较大的轴向变形。轴向变形会是建筑的内力分布发生变化，引起构建的塑性变形。因此，在高层民用建筑设计中，要充分考虑竖向荷载的作用，进行合理的配筋设计。

1.3侧移

侧移成为高层民用建筑结构设计的重要控制指标。在地层的楼房设计中，基本不存在侧移问题，但如果高层民用建筑设计不合理，在水平荷载的作用下，楼房发生侧移的可能性很大。为了维持建筑结构的稳定性，在高层民用建筑结构设计中一定要把侧翼变形维持在一定的范围之内，只有这样才能保证建筑结构的安全。

1.4结构延性

结构延性是高层民用建筑结构设计过程中的重要指标。为了保证建筑结构的安全可靠，防止高层民用建筑结构在地震等自然灾害作用下出现倒塌等重大破坏，必须要在高层建筑结构设计师采取措施，提高结构的延性，是高层建筑结构在进入塑性变形阶段后，仍具有变形能力。

2.高层民用建筑结构设计布置要求

2.1平面结构布置要求

高层民用建筑结构设计的平面形状应采用规则的结构布置，要尽量做到简单、规则、对称，使结构的质心与刚心重合。由于建筑功能要求必须进行不规则设计时，可以将建筑结构进行划分，使其形成比较规则的简单独立结构单元，防止产生扭转效应。扭转效应对建筑结构中的端部构件位移，建筑结构扭转过大还会出现应力集中现象，造成建筑结构的破坏。判定建筑结构扭转十分过大有两种方法：第一，概念设计法。设计者在进行平面结构布置时，近似计算出质心和刚心，找出偏心距，并通过控制平面规则性，尽量让质心和刚心重合。第二，比值法。通过控制楼层最大弹性水平位移与楼层两端弹性水平位移的比值来确定结构扭转情况，如果比值超过1.2，则为结构扭转不规则。

2.2竖向结构布置要求

高层民用建筑结构竖向布置的最基本原则是均匀、规则。均匀是指建筑结构的上下体型、刚度、承载力和质量的分布及变化均匀。就建筑结构的上下体型来讲，应当是自下而上逐渐收进，且应限制收进尺寸，不应出现过大变化或突然变化。上部楼层收进后，楼层的平面尺寸会减小，高振型影响会加大。如果竖向结构布置上部楼层设计过大，就会造成扭转明显加大，头重脚轻，使建筑结构失去稳定性。就建筑结构的刚度来讲，其竖向结构设计也应该为下大上小，从下而上逐渐减小。如果建筑结构下层设计刚度较小，会形成建筑结构薄弱层，导致建筑结构下部变形，严重的还会造成建筑倒塌。规则主要是指建筑体型规则。如果必须要求变化，也应是有规则的渐变。建筑体型严重不规则的的建筑在地震时特别容易形成集中变形，引发倒塌事故。

3.高层民用建筑结构设计相关问题研究

3.1高层民用建筑结构体系选取

设计者在设计建筑结构时首先要明确建筑的结构体系，只有根据具体情况，正确选取建筑结构体系才能设计出经济合理的结构。目前，高层民用建筑一般都是钢筋混凝土结构，采用剪力墙结构或框架剪力墙结构。

框架剪力墙结构由框架和剪力墙组合而成，以剪力墙作为主要抗侧力构建，承受大部分水平荷载，框架则主要承受竖向荷载，框架和剪力墙合理分工，共同受力。剪力墙应均匀设置平面形状变化较大和竖向荷载较大的部位。该结构体系以框架结构为主，剪力墙为辅助，较适用于25层以下的建筑。

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的粱柱，剪力墙作为竖向承重和抵抗侧力的结构，伞部承受结构的竖向和水平力。这种结构体系通常采用平面布置形式，由于剪力墙受竖向荷载和水平荷载共同作用，剪力墙应双向或多向布置。同时由于该结构全部由剪力墙组成，其刚度要比框架剪力墙结构更好，该结构体系常用f40层以下的高层住宅建筑等，而且该结构高宽比不宜大于6，其高度也应考虑抗震要求。

3.2高层民用建筑结构设计的参数控制和调整

在高层民用建筑结构设计中，各参数的控制和调整直接影响建筑结构的安全性，合理的选择各个控制参数，并作出适当的调整，可以提高建筑结构的整体控制效率，增加建筑结构的合理性。以下介绍了一些重要参数的控制与调整：

（1）轴压比：通过限制轴压比，可以保证建筑结构的延性要求。轴压比可以通过增大墙、柱的截面，提高墙、柱混凝土强度等方法进行调整。

（2）层间位移角：限制建筑结构的层间位移角，可以保证高层建筑结构的稳定性，避免因出现过大位移影响使用。层间位移角只能通过加强竖向构件刚度的方法进行调整。

（3）周期比：建筑结构的抗扭刚度不能太弱，以减小扭转对建筑结构产生的不利影响。周期比只能通过改变结构布置进行调整。

（4）剪重比：限制各楼层的最小水平地震剪力，确保建筑结构的安全。剪重比可以通过加强竖向构件刚度的方法进行调整。

（5）刚度比：刚度比的规范主要是为了是建筑结构布置更有规则性，避免建筑结构沿竖向突变，形成薄弱层。刚度比可以通过适当加强下层墙、柱和梁的刚度，或适当削弱上部相关楼层墙、柱和梁的刚度来调整。

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