论高层建筑结构设计特点及体系

刘继光

身份证号码：320621198102046911 江苏中城设计研究院有限公司 江苏盐城东台市 224200

摘要：当前我国大部分高层建筑工程的结构设计均为钢筋混凝土剪力墙体系、剪力墙—筒体结构体系，此外较常用的还有框架结构体系、筒体体系等。本文就高层建筑结构设计的特点进行简要的分析、探讨，并对国内高层建筑的四大结构体系：框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构进行简要阐述。

关键词：高层建筑；结构特点；结构体系

改革开放以来，我国建筑业有了突飞猛进的发展。近年来我国建筑面积已达到2亿平方米，建成高层建筑万栋。随着城市化进程的加速发展，全国各地的高层建筑不断涌现。作为土建工作设计人员，只有充分了解了高层建筑结构设计的特点及其结构体系，才能使设计达到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的基本原则。

一、高层建筑结构设计特点

1.1 水平荷载成为决定因素

在低层和多层建筑结构中，大部分是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而对于高层建筑来讲，尽管竖向荷载仍对结构设计有着重要的影响，但水平荷载却起决定性作用。主要是由于一方面来讲，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，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，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

1.2 轴向变形不容忽视

采用框架体系和框架—剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种轴向变形的差异将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁中间支座沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

1.3 侧移成为控制指标

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷載下结构的侧移变形迅速增大，与建筑高度 H的 4 次方成正比（△= qH4/8EI）。另外，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推刚度。因而结构在水平荷载作用下的侧移应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，尤其是竖向件，当侧向位移增大时，偏心加剧，当产生的附内力值超过一定数值时，将会导致房屋侧塌。2.使居住人员感到不适或惊慌。3.使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，使机电备管道损坏，使电梯轨道变型造成不能正常运行4.使主体结构构件出现大裂缝，甚至损坏。

1.4 结构延性是重要设计指标

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有

1.5抗震设计要求更高

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、大震不倒。

1.6减轻高层建筑自重比多层建筑更为重要

高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基的情况下，减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层有突出的经济效益。地震效应与建筑的重量成正比，减轻房屋自重大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，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。

二、高层建筑的结构设计体系

2.1剪力墙结构体系

高层建筑的剪力墙体系，其主要是指全部采用了平面剪力墙构件的主体受力结构。在此种高层建筑结构设计体系中，所有的水平作用力、垂直荷载均施加在单片剪力墙之上，该结构设计体系主要采用的是刚性结构，从而有着较高的刚度、强度，其位移曲线呈弯曲形态。高层建筑采用剪力墙体系的优点在于，延展性较强，传力均匀且性能较强，有着良好的整体性适用高度超出框架、框架——剪力墙体系，是一种性能良好、状态稳定的结构体系。

2.2框架结构体系

高层建筑结构的设计，倘若采用框架结构体系，其主要是利用柱体、梁架、基础共同组成一个平面框架，同时将其作为建筑的主要承重结构，最后通过梁的连结，使各个平面框架组合形成一个整体的空间结构体系。此种结构体系的优点在于：可灵活布置建筑的内部平面，可从中设置空间容积较大的餐厅、会议室、教室等；必要时，可通过隔断的安设与拆除，将建筑的平面布局为大空间或分割成小居室，灵活调整以满足使用需求；建筑的外墙通常会选择使用非承重构件，从而能够自由调整建筑的立面设计。值得注意的是，此种结构的刚度较小、抗测力能力较差，在地震所产生的荷载与水平荷载的作用力下，将发生大幅度位移、破损，对于超出十五层高度的建筑不宜采纳，相反则可实现建筑结构经济性、安全性的平衡。

2.3框架—剪力墙体系

对于选择框架结构体系的高层建筑，倘若其刚度、强度无法满足安全标准及有关要求时，通常需要利用质量较大的剪力墙，来替换建筑平面部分位置的框架结构，使剪力墙与框架形成一个整体，即框架—剪力墙结构体系。在水平荷载的作用下，充分利用了刚度较强的连梁、楼板，使剪力墙结构体系部分与原有框架结构体系形成一个整体，协同承受水平力。高层建筑采用框架—剪力墙结构体系，水平剪力主要由剪力墙的部分结构来承受，而垂直荷载则由原有框架结构承担，其位移曲线呈弯剪形态。此种结构体系的优点在于：通过剪力墙的增设，提高了建筑结构体系的侧向刚度，大幅缩减了建筑的位移数值，同时也有效降低了原有框架结构所负担的水平剪力并竖向均匀地分散了内力。由此可以看出，此种结构体系的总体性能优于框架体系。

三、结束语

我国的高层建筑逐渐随着经济的高速发展而越来越多，这就对高层建筑的施工质量要求也提出了相当高的标准。高层建筑有一个好的基础是整个高层建筑工程质量的关键支撑。然而在高层建筑的基础建设中，一些看似对整个工程质量没有什么影响的违规操作，却可以给整个建筑的施工质量埋下巨大的安全隐患，所以，在高层建筑的施工工程中，一定要严格的按照规定的施工标准来进行，不要有违规操作，确实保障高层建筑的安全可靠性。

参考文献：

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[2]张同亿，李从林，许菊萍.高层框支剪力墙结构地震反应分析的超元法[J].地震工程与工程振动；2002（02）.

[3]王崇昌，马克俭等.高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构分析[M].贵州人民出版社.1989.

[4]钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程（JGJ3-91）[S].北京：中国建筑工业出版社.1991.