试论高层建筑结构设计的原则及相关问题

摘 要：高层建筑能给城市居民带来更多的活动空间和更多的绿地，但同时高层建筑的结构设计又是复杂的问题，要考虑到多方面的因素，还要考虑对周边建筑或环境的影响。作为土建的设计工作者，应该充分掌握高层建筑结构设计的原则及其结构体系，这样才能设计出安全可靠、质量过硬、美观舒适的高层建筑。

关键词：高层建筑；结构设计；原则

1 高层建筑结构布置基本原则

（1）应考虑建筑的相关使用要求，考虑建筑的用途。尽量使设计便于施工。

（2）为了减少高层建筑的位移，应适当提高整体刚度，高层建筑控制位移是设计中很重要的一环，直接关系到高层建筑本身的安全可靠以及居住的舒适性。为了控制位移，首先要考虑选择较为合理的结构体系，其次还应从立面的变化以及平面的体型等多方面来减少高层建筑的侧向位移。为了提高整体结构的抗侧移刚度，在布置结构之时应同时考虑结构整体性的加强。为了减小由于基础的转动或平移而导致的结构侧移，可以采取加强相关构建连接、加强基础的整体性或是加强楼盖的整体性及其刚度等等方法。还要考虑适当的加强结构中较为薄弱的环节或是应力呈现复杂状态的部位。为了抵抗倾覆力矩，还应增加整体结构体系的有效宽度。为了达到减少侧向位移的目的，通常还可以采取增加结构的宽度的办法，在其他参数确定的情况下，变形量与B^3成反比例。对高宽比H/B进行适当的限制同样可以达到减少侧向位移的目的。

（3）如果建筑处于地震区，还应考虑地震的影响，使相关设计满足抗震需求。首先应使设计的各个结构单元的平面形状尽量达到规则而且简单，使结构的各部分的刚度均匀且较为对称。如果是不对称且不均匀的复杂结构通常会增加地震应力的复杂性，使之难以处理或者计算数值，还可能出现扭转或是应力集中的现象，使抗震设计更加复杂。在设计高层建筑中，应尽量注意刚度中心的位置，使得地震力作用中心和刚度中心尽量一致，注意偏心距e（刚度中心与地震力作用中心的距离）应在建筑物边长垂直外力作用线5%以内。应力集中现象多出现在高层建筑的拐角处，故电梯间等应尽量避开高层建筑的拐角来设置。立面的体型应减少凹陷或是突出的状况，这种状况通常将使刚度在垂直方向上出现突变的情况。经过对震害的分析，可以总结出高层建筑的刚度不均匀、平面布置不对称、屋顶局部的突出、高低错层连接或是沿垂直高度刚度发生突变等等情况，都会在地震时产生破坏性较强的震害。还应限制高层建筑的平面长度，保持长宽比L/B在一定的限度内，满足抗震设计相关要求。结构采取竖向布置时可以减少地震发生时产生的破坏，但应考虑刚度需对称而且均匀。应尽量避免出现结构不连续或是刚度突变的情况，避免上部刚度较小，从而导致“鞭击”情况的出现。

（4）在布置或者处理相关设缝（如伸缩缝、沉降缝以及抗震缝）的时候，应考虑高层建筑的体型复杂以及结构影响。在许多发达国家的高层相关缝的设计中，一般的做法是超过十层的建筑不设缝。在两个沉降独立的单独的结构之间一般不设计简支梁，这样的简支梁可以避免两个独立结构的沉降差所引发的附加应力，但在地震应力的作用下，两个独立结构将相互产生影响，互相拉扯从而引发简支梁的破坏。

（5）随着商品房数量的逐渐增多，人口的逐渐增多以及人均土地面积的不断减少，人们对绿地和活动场地的需求越来越高，高层建筑也就越来越多。住宅商品化带来的影响就是住宅的寿命需求就越来越高，人们往往需求住宅首先要安全可靠。所以在结构设计的选择上来说，应尽量有利于抗震抗风以及其他抗其他不利影响，最大限度的提高高层建筑的耐久性和安全性。

（6）在安全和耐久的基础上，人们还会需求居住的舒适性。高层建筑的结构设计上，还应考虑到舒适的居住性能，满足人们对室内空间、采光通风等各种需求，尽量配合其他专业，尽可能的避免在住户的居住空间中出现梁柱的压抑或是在分隔墙的材料中选用隔声性能较差的材料。在选用剪力墙结构时，应尽量选用大开间的布置。方便暖通的相关设备的布置以及其他电气设施的设置。

（7）最后就是在高层建筑的结构设计中一定要严格认真的执行相关规范的规定，避免在使用年限内出现结构方面的损坏。

2 高层建筑结构设计中结构体系的选择

高层建筑的钢筋混凝土结构选择中一般可以选择框架结构、剪力墙、框架-剪力墙以及筒体结构。

2.1 框架结构体系

框架结构受风力或其他水平力影响下侧向位移可以分为两个部分。第一部分侧向位移主要是梁或者柱在剪力作用下引起的弯曲导致的。梁和柱上通常还设有反弯曲点，通过这些反弯点，能使结构整体变形为剪切变形。剪力的分布为下层框架结构大，上层框架架构小，层间位移分布与剪力的分布相同。第二部分侧向位移由柱中的轴向变形引起，而轴向变形是由于框架整体所产生的悬臂作用。由剪切变形引起的第一部分侧向位移较大，框架结构的缺陷就在于其变形较大，抵抗侧向位移的刚度较小，导致应用框架结构体系的高层建筑往往高度有限制。

2.2 剪力墙结构体系

剪力墙结构，顾名思义是指应用高层建筑的墙体来作为竖向承重的结构体系，并且还可抵抗水平力作用。剪力墙体系广泛应用在各种10-30层左右的高层建筑中，剪力墙的延性系数一般在3-5之间。将剪力墙底层作为框架时，又可以称之为框架-剪力墙结构体系。

2.3 框架-剪力墙结构体系

框架在承受水平力的作用时通常为剪切变形，而剪力墙则呈现弯曲变形，框架-剪力墙体系就是将框架和剪力墙用楼板进行连接，二者变形结合为弯剪型变形。剪力墙通常承担80%以上的水平力作用。在高层建筑整体中，上层由框架抵抗大部分水平力作用，下层由剪力墙抵抗大部分水平力作用，二者结合提高了高层建筑结构整体刚度。框架剪力墙的结构体系还能减少层间的变形量以及定点位移量的减少，可以提高整体结构的刚度。框架-剪力墙的结构广泛应用于20-40层的高层建筑，特别是塔式建筑。

2.4 筒体结构体系

筒体结构多应用在30-40层的较高层建筑上，筒体结构体系的强度和刚度比剪力墙或框架-剪力墙结构都要好。筒体结构通常可分为三种。

2.4.1 框筒结构。框筒通常指墙体上开洞后形成的空腹筒体。开洞之后，柱中的正应力分布曲线为抛物线，这是剪力滞后的现象在横梁变形中的体现，应力集中现象出现在角柱中。框架又可以分为翼缘框架和腹板框架。翼缘框架在方向上与水平力相互垂直，主要可以承担整体结构由于拉压所引起的轴力，对倾覆力矩的抵抗力较强，腹板框架与水平力方向相同，主要承担水平方向剪力。筒体结构为了保持密排柱和窗裙梁的尺寸，框筒的布置如下：立柱中距一般在1.2-3.0m之间，有需要时可以达到4.5m，横梁高度一般在0.6-1.2m范围内，宽在0.3-0.5m之间。

2.4.2 筒中筒结构。一般在国外50层以上的高层建筑中应用广泛，主要由内外两个筒体结合而成。内筒一般是剪力墙薄壁筒，外筒是框筒（由密柱组成）。有较好的抗震、抗风性能。

2.4.3 成束筒结构。主要由多个剪力墙薄壁筒体组合而成，筒体通常都较小，主要应用在平面形状较为复杂的高层建筑中。

3 结束语

高层建筑的结构设计对结构整体的刚度要求较普通建筑要高，由于层高所带来的多种因素都要综合考虑，是一个复杂且困难的问题，解决方案较多，通常应选择经济且最为安全可靠的结构体系来抵抗相关的水平力作用引起的各种变形。在设计高层建筑时要注意认真按照设计原则和规范，才能建造出优质的高层建筑。

参考文献

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[3]王允.浅析高层建筑结构设计的相关问题[J].中华民居（下旬刊），2013，12：57+60.

作者简介：刘峰，身份证号：360123198403120719。