谈高层建筑结构设计

侯艳斌

(临汾市建筑规划设计院，山西临汾 041000)

随着我国经济的高速发展，城镇化进程的步伐也越来越快，城市建设的需要与满足可供建设的土地供给之间的矛盾日益突出。但是，科学技术水平的发展和提高也为解决这些矛盾提供了选择。高层建筑的出现在一定程度上缓解了这种矛盾。现在，高层建筑的建造速度和建设规模越来越快，越来越大。我国的高层甚至是超高层建筑从无到有，不仅高度不断增加，建筑功能越来越齐全，而且建筑类型也越来越呈多样化的发展趋势，结构体系的选择也更为灵活。因此，高层建筑不仅节约城市用地，增加城市景观，减少城市基础设施投资，更重要的是，确实使居民的居住和生活条件大为改善。

1 高层建筑结构体系的划分

1)按结构材料划分为:

a．钢筋混凝土结构。充分发挥了钢筋和混凝土两种工程材料的力学性能，且能共同受力，协调工作。

b．钢结构。虽然存在结构材料本身价格较高、易锈蚀、维护成本高的种种缺点，但结构强度高、自重低、抗震性能优良等优点使钢结构成为超高层建筑的首选。

c．钢—混凝土组合混合结构。将钢构件和钢筋混凝土构件作为结构构件进行连接，共同形成结构。

d．钢—混凝土组合结构。型钢混凝土结构:将型钢当作混凝土中包的钢筋;钢管混凝土结构:钢管内浇筑混凝土形成新的结构构件。

2)按结构形式划分为:

a．框架结构。由梁柱作为承受横向或竖向荷载的结构形式。

b．剪力墙结构。由剪力墙作为承受横向或竖向荷载的结构形式。

c．框架剪力墙结构。利用框架和剪力墙的各自优点，框架主要承受竖向荷载，剪力墙主要抵抗横向荷载。

d．筒体结构:包括框筒、筒中筒和组合筒等结构形式。

3)较复杂高层建筑结构体系:

a．转换层结构。沿立面根据功能划分为不同区段，设置转换层使这些不同区段的竖向构件实现过渡。

b．连体结构。由架空连接体将不同的高层建筑进行连接，以实现外观和功能需求。

c．带加强层结构。在框筒结构中沿竖向设置一个或若干个加强层，以提高整个结构的抗侧刚度。

2 高层建筑结构选型

建筑结构从受力上可划分为竖直方向、水平方向以及与地基接触的底部等结构。综合考虑建筑的高度、高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、结构材料和施工技术等影响因素而决定的建筑物各方向整体受力情况的结构体系称为结构选型。结构选型涉及到整个建筑物的设计功能，更涉及到建筑物的结构安全，是结构设计的关键。

结构选型的主要任务有:

1)决定建筑竖直方向的受力体系;

2)决定建筑水平方向的受力体系;

3)决定建筑底部的受力体系。

决定的结构体系应满足几方面的要求:

1)建筑功能。如居住建筑、公共建筑;采光、通风、空调等功能。

2)结构与建筑美学的统一。建筑的表达从社会学、民俗学、哲学等人文领域讲具有一定的随意性，如何把建筑的美学表达和结构实现结合起来，就要从结构选型上多加考虑。

3)有足够的强度、刚度和变形能力。不同的结构体系所对应的这三个方面的指标能力不同。

4)施工上技术可行。设计最终需要施工上予以实现，若现有的施工技术水平无法达到，则所有的设计只能放在展览厅。

5)总体费用最低。无论处于建筑产品实现的哪个阶段，钱都是最主要的问题。当设计方案对比时，要充分考虑总体费用，我们的目标是在满足所有功能的前提下，花钱最少。

3 高层建筑的受力情况分析

3．1 竖向荷载

1)恒荷载。根据结构或构件的密度与设计尺寸进行计算。

2)活载。包括楼面活载或屋面活载，从《建筑结构荷载规范》中查阅，但要特别考虑:

a．充分考虑到施工中可能遇到的对结构受力有影响的其他因素;

b．在高层或超高层建筑顶部设置可移动装置时设备的影响;

c．在高层建筑后期维护或清洁时，大型清洁机具空中作业时产生的附加重量对结构的影响;

d．经济发达地区当高层建筑顶部设置有直升机起降平台时所产生的活荷载。

3)高层建筑活载占比较小，可不考虑活荷载的不利布置。

3．2 水平作用

1)风载。空气流动对建筑物侧面产生正压力或负压力，这些就是建筑物受到的风荷载。

设计时应根据《规范》充分考虑:基本风压，风压高度变化系数，风载体型系数，风振系数的影响，分别计算总风载和局部风载，以及相对应的总体效应和局部效应。

2)地震作用。规范规定“设计中主要考虑水平地震作用，只有震中附近的高烈度区大跨度结构才同时考虑竖向地震作用”。根据抗震设防三水准目标和两阶段设计方法，计算地震作用方法一般采用“反应谱法”。

3)其他作用。在设计过程中还应充分考虑建筑物在施工过程中和使用过程中由于温度、材料、沉降等其他因素而引起的内力或变形。

通过以上分析，高层建筑在结构设计时要充分考虑楼面刚度无穷大假定，竖向荷载和水平荷载分配假定的整体工作性能。同时可以看出，水平作用的影响是高层建筑结构设计的关键因素。高大建筑刚度设计时还要提高延性和考虑薄弱层的影响。

4 高层建筑结构设计的特点

从设计方法和计算原理角度看，高层建筑与多层建筑除了高度与层数，没有实质性区别，都会受到竖向或水平方向上的作用。但是高层建筑结构设计中抗侧力设计成为更多消耗材料的重要因素，同时从功能上讲，高层建筑更有其特殊要求。

1)水平方向的作用成为结构设计是否成功的最主要考虑因素，结构的倾覆力矩与位移随结构高度增加呈指数变化曲线上升。

因此，水平方向的作用成为关键因素，在这种情况下，必须对结构进行优化，才能适度减少材料用量。

2)随着高度增加，地震作用的危害将会进一步放大，因此，必须特别重视高层建筑结构的抗震设计，结构延性成为高层建筑结构设计的重要指标。

3)高层建筑在竖向荷载作用下，荷载数值很大，因此，必须考虑柱的轴向变形导致的连续梁的弯矩变化而引起的变形所产生的影响。

4)高层建筑在水平荷载作用下，随高度增加侧移急剧增大，因此必须将侧移控制在一定范围内。

5)充分考虑结构的抗扭刚度。

地震时，地面在平移的同时还会产生转动，随之结构在地震作用下也会产生平移和扭转。震害研究指出，地震时的扭转是导致建筑结构破坏的一个很重要的因素，因此，规范增加了对高层建筑结构偏心扭转的规定。在结构计算时应考虑结构构件对抗扭刚度的有利影响。

同时注意:

1)抗侧构件布置应规则、均匀、对称;

2)抗侧构件截面设计宜规整、对称;

3)在建筑设计允许的条件下，适度降低层高。

除上述一些特点外，为了简化计算模型，实用分析法一般都作弹性假定、小变形假定和刚性楼板假定。

5 框剪结构中剪力墙数量的优化

钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系是震区高层建筑使用较为广泛的结构体系，不仅能为建筑设计提供大空间，且结构具有良好的抗震性能。但是这种结构体系中，剪力墙的数量的最佳配置不仅反映结构的安全性，更是衡量技术经济性的重要指标。

钢筋混凝土框剪结构中，满足抗震规范层间位移角限值规定的最少剪力墙数量就是剪力墙数量的最佳配置，且布置对称、均匀。

6 结语

随着我国城镇化水平的不断提高，建筑物的精心设计才能满足广大人民群众对安居生活的较高要求。这样，不仅能够有效解决城市用地紧张给房屋价格带来的巨大影响，而且还能够在满足建筑物功能的基础上使建筑的结构设计与建筑形式达到和谐统一。

［1］ B．S．Smith，A．Coull．Tall Building Structures:Analysis and Design，John Wiley ＆ Sons，Inc．1991．

［2］ 包世华．新编高层建筑结构［M］．北京:中国水利水电出版社，2001．

［3］ 安海峰．论高层建筑结构设计研究［J］．中小企业管理与科技(下旬刊)，2010(11):17-18．

［4］ 文 勇．水平荷载在高层建筑结构设计分析中的重要作用［J］．科技创新导报，2010(25):70-72．