对建筑结构设计相关问题探讨

杨松　杨国靖

【摘 要】 本文先通过对高层建筑的特点开始分析，然后对其结构体系设计相关的基本要求进行了阐述，最后还提出了一些对高层建筑结构设计的建议。

【关键词】 载荷；结构；高层建筑；设计；抗震

1、高层建筑特点

1.1 在建筑面积和建设场地面积相同的比值情况下，建造高层建筑比多层建筑能够提供更多的空闲地面，将这些空闲地面用作绿化与休息场地，这样可以有利于美化环境，并带来更充足的采光、日照与通风效果。比如在新加坡一个新建的居住区中，因为建造了高层建筑群，所以留下了更多地面空间，可以更好地建设城市绿化与人们休闲活动空间。

1.2 高层建筑中的竖向交通大部分是由电梯来完成，这样就会增加建筑物的造价，如果从建筑防火的角度来看，高层筑的防火要求要高于中低层建筑，也会增加高层建筑的工程造价和运行成本。

1.3 在相同的建设场地当中，建造高层建筑能获得更多的建筑面积，这样可以部分解决城市地价高涨与用地紧张的问题。设计精美的高层建筑还可以为城市增加景观，如上海的金茂大厦与马来西亚首都的石油大厦等。但高层建筑太多、太密集也会对城市带来热岛效应，玻璃幕墙过多的高层建筑群还可能造成光污染现象。

2、高层建筑结构体系的特点

随着高度与层数的增加，水平作用对高层建筑结构安全的控制作用更加显著，包括地震作用和风荷载。高层建筑的抗侧刚度、承载能力、材料用量、抗震性能与造价高低，与其所采用的结构体系密切相关。不同的结构体系，适用于不同的高度、层数和功能。

2.1 框架结构体系。框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构，框架形成可灵活布置的建筑空间，具有较大的室内空间，使用较方便。由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制；剪切型变形，即层间侧移随着层数的增加而减小；框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中。

2.2 剪力墙结构体系。利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。剪力墙结构体系于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载。

现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求也容易满足；剪力墙结构体系主要缺点：主要是剪力墙间距不能太大，平面布置不灵活，不能满足公共建筑的使用要求。此外，结构自重往往也较大。

当剪力墙的高宽比较大时，是一个受弯为主的悬臂墙，侧向变形是弯曲型，即层间侧移随着层数的增加而增大。剪力墙结构在住宅及旅馆建筑中得到广泛应用。因此这种剪力墙结构适合于建造较高的高层建筑。

在承受水平力作用时，剪力墙相当于一根下部嵌固的悬臂深梁。剪力墙的水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成。高层建筑剪力墙结构，以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲形，特点是结构层间位移随楼层增高而增加。

根据施工方法的不同，可以分为：全部用预制墙板装配而成的剪力墙；全部现浇的剪力墙；内墙现浇、外墙为预制装配的剪力墙。

2.3 框架剪力墙结构体系。在框架结构中设置部分剪力墙，使剪力墙与框架两者结合起来；取长补短；共同抵抗水平荷载，就组成了框架—剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可以称之为框架—筒体结构体系。

框架—剪力墙结构比框架结构的刚度与承载能力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因此，也就减小了非结构构件（隔墙及外墙）的损坏，这样无论在地震区还是非地震区，这种结构型式都可以用来建造较高的高层建筑，当前，这种结构型式在我国得到广泛的应用。

2.4 巨型结构。巨型结构一般由两级结构组成。第一级结构超越楼层划分，形成跨若干楼层的巨梁、巨柱（超级框架）或者是巨型衍架杆件（超级衍架），以这巨型结构来承受水平力和竖向荷载，楼面作为第二级结构，只承受竖向荷载并将荷载所产生的内力传递到第一级结构上。

不同的结构体系所具有的强度与刚度都是不一样的，所以，它们所适合应用的高度自然也就不同。一般所说，框架结构适用于高度低，层数少，设防烈度低的情况；框架—剪力墙结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求；在层数很多或设防烈度要求很高时，可用筒体结构。

3、高层建筑结构设计的基本要求

3.1 结构的规则性

（1）不应该采用严重不规则的结构体系。建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，应符合下列要求：

1）应该杜绝因为部分的结构或者是构件的破坏而造成整个结构丧失承受重力荷载、地震和风荷载作用的能力；

2）对可能出现的薄弱环节，应该采取有效地措施予以加强。

3）应该具有一定的承载能力、刚度和变形能力；

（2）高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求：

1）应该具有多道的抗震防线。

2）水平布置与结构的竖向都应该具有合理的刚度和承载力分布，这样可以避免因局部突变与扭转效应而形成薄弱部位；

3.2 规则结构的主要特征。

建筑及其抗侧力结构的平面布置应该对称，规则、并且还应该具有良好的整体性，结构的侧向刚度宜均匀变化，建筑的立面与竖向剖面宜规则竖向抗侧力构件的截面尺寸与材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度与承载力的突变。

日常所说的规则结构就是指：结构平面布置对称、均匀并且具有较好的抗扭刚度；体型（平面和立面）规则；结构竖向布置均匀，结构的承载力、刚度和质量分布均匀，也没有突变。

3.3 规则平面布置需满足的要求。

结构平面布置一定要考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，传力直接，受力明确，力争均匀对称，减少扭转的影响。在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，风力作用下则可适当放宽。抗震设防的高层建筑，平面形状宜对称、简单、规则，以减少震害。

在那些每一个高层建筑的独立结构单元内，应该把结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。不应该采用严重的不规则的平面布置。同时抗震设计的B级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑，他的平面布置也应该是规则、和简单，这样有助于减少偏心。

4、高层建筑结构设计

在许多高层建筑当中，竖向荷载对结构设计会产生很重要的影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重与楼面使用荷载在竖向构件中所导致的弯矩与轴力的数值，仅仅和建筑高度的一次方成正比；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；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。对一些较柔的高层建筑，风荷载是结构设计的控制因素，随着建筑物高度的增高，风荷载的影响越来越大。高层建筑中除了地震作用的水平力以外，主要的侧向荷载是风荷载，在荷载组合时往往起控制作用。因此，高层建筑在风荷载作用下的结构分析与设计引起了研究人员和工程师们的重视。

建筑的重量和地震效应是成正比，减轻房屋的自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑重量大了，不仅作用于结构上的地震力大，还由于重心高地震作用倾覆力矩大，对竖向构件产生很大的附加轴力，从而造成附加弯矩更大。

结语

因为高层建筑的体形比较高大，那么高层建筑就存在很多的问题，像高技术、高难度、高风险等都需要大量的技术工作人员去解决。加强高层建筑结构设计，提高对高层建筑结构设计的要求，可以避免许多安全事故的发生。

参考文献

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[2] 宋小青.张小苗.李强民.浅谈高层建筑结构设计[J].武汉大学出版社，2009，（21）

[3] 吴根强.吴奋发.王小波.对高层建筑结构设计的思考[J].山东大学出版社，2009，（21）