浅谈高层建筑结构设计

陈建辉 刘拥军

摘要：近几年来，高层建筑的日益增多，致使地震的发生所带来的破坏逐渐变大，所以须在结构上采取有效措施，从而使高层建筑的抗震性得以提高，本文从实际出发，谈谈高层建筑结构设计。

关键词：高层建筑；结构设计；抗震设计

1 引言

改革开放后，是我国高层建筑在设计计算及施工技术各方面迅速发展的阶段。各大中城市普遍兴建高度在100m左右或100m以上的以钢筋为主的建筑，建筑层数和高度不断增加，功能和类型越来越复杂，结构体系日趋多样化。进入九十年代我国高层建筑结构的设计与施工技术进入了新的阶段。不仅结构体系及建筑材料出现多样化而且在高度上长幅很大有一个飞跃。

2 高层建筑结构设计

2.1结构体系的选择

由于抗水平力的设计在高层建筑已成为主要矛盾，因此抗侧力结构是结构设计的关键问题。根据抗侧力结构，钢筋混凝土结构可分为框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构等几种结构体系，这些体系的受力特点、抵抗水平力的能力是不同的，特别是抗震性能是不同的，因此具有不同的适用范围。

框架结构由梁、柱构件通过节点连接构成，不仅在竖向荷载作用下，还要承受水平荷载，并能提供建筑室内空间布置灵活。当建设层数较少时，水平荷载对结构的影响较小，结构更为合理，当层数较多时，由于框架结构的影响在水平力作用下，内力分布是不均匀的，并存在层间屈服强度特别薄弱层，且由于框架结构的构件截面惯性矩相对较小，导致侧向刚度较小，侧向变形较大。在强烈地震作用下，结构的薄弱层率先屈服，发生弹塑性变形，并形成弹塑性变形集中的现象，震害一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱和边柱更容易发生破坏，除剪跨比较小的短柱易发生柱中剪切破坏外，一般柱是柱端的弯曲破坏。因此，框架结构属于剪切变形的柔性结构，限制使用高度，主要用于非抗震设计和层数相对较少的建筑。剪力墙结构中，剪力墙沿水平，垂直或斜轴正交布置，钢筋混凝土墙的水平荷载和竖向荷载作用下，属于弯曲变形的刚性结构。该种结构的抗侧力刚度比框架结构大得多，在水平力作用下侧向变形小，空间整体性好。剪力墙结构的工作状态可分为单肢墙、小开口墙、联肢墙，单肢墙和小开口墙的截面内力完全或接近于按材料力学公式成直线分布规律，其平衡地震力矩只靠截面内力偶负担。联肢墙则通过连系梁使许多墙肢共同工作，地震力矩可由多个墙肢的截面内力矩与连梁对墙肢的约束力矩共同负担，设计原则是梁先屈服，然后墙肢弯曲破坏丧失承载内力。当连梁钢筋屈服并且有延性时，即可吸收大量地震能量，又能继续传递，弯矩和剪力，对墙肢有一定的约束作用。由于剪力墙结构自重大，建筑平面布置局限性大，难以满足建筑内部大空间的要求。因此其更多地用于墙体布置较多，房间面积要求不太大的建筑物中，既减少了非承重隔墙的数量，也可使室内无外露梁柱，达到整体美观。

框架-剪力墙结构是指在适当的位置在框架结构中加入剪力墙，是刚柔相结合的结构体系，可以提供建筑使用空间的大开间，是由多个单片剪力墙和框架组成。在这种结构体系中，框架和剪力墙共同承担水平力，但由于两者刚度相差很大，变形形状也不相同，必须通过各层楼板使其变形一致，达到框架和剪力墙的协同工作。从受力特点看，剪力墙弯曲变形，框架主要是剪切变形，由于变位协调，在顶部框架协助剪力墙抗震，在底部剪力墙协助框架抗震，抗震性能由于更好地发挥各自的优势，大大提高了。它可以满足各种不同高度建筑物的要求而广泛应用。

以上分析了三种常用的钢筋砼结构体系的特点，通过分析比较看出，选择高层建筑结构抗侧力体系通常需要考虑的两个主要原因是建筑物的高度和用途。

2.2结构类型的选择

高层建筑本质上是一个垂直的悬臂结构，竖向荷载主要是轴向力的结构，与建筑物的高度一般为线性关系；水平荷载引起结构的弯矩。从应力特征，竖向荷载不变，随着建筑的增高而增加；而水平荷载，从任何方向均布载荷时，弯矩和建筑物的高度是两倍的变化。从侧移特性看，竖向荷载引起的侧移很小，而水平荷载当为均布荷载时，侧移与高度成四次方变化。由此可见，在高层建筑结构中，水平荷载的影响比垂直荷载的影响更大，水平荷载是结构设计的控制因素，结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和壓应力应有较大的强度外，同时要求结构要有足够的刚度，使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。

根据高层建筑的受力特点，在一定的物质和技术条件下，在设计中为了满足建筑功能和抗震要求，结构类型具有良好的经济效益和建设速度是非常必要的。高层建筑的结构类型主要用于钢结构和钢筋混凝土结构。钢结构具有强度高，重量轻的优点，抗震性能好，施工周期短，与钢结构截面相对较小，具有良好的延展性，适用于灵活的程序结构。其缺点是成本相对较高，当场地土特征周期较长时，易发生共振。与钢结构相比，现浇钢筋砼结构具有结构刚度大，整体空间好，成本低，原材料丰富等优势，可以组成多种结构体系，以适应施工要求的各种类型，广泛应用于高层建筑，比较适用于提供承载力，控制塑性变形的刚性方案结构。其突出缺点是结构自重大，抵抗塑性变形能力差，施工工期长，当场地土特征周期较短时，易发生共振。因此，高层建筑的结构形式，应取决于其结构和材料的性能，同时也取决于土壤类型，土壤和建筑物避免共振。

2.3结构布置的选择

在高层建筑的设计中，结构布置一般应考虑以下几点：

（1）应满足建筑功能要求，做到经济合理，便于施工。建筑物的开间、进深、层高、层数等平面关系和体型除满足使用要求外，还应尽量减少类型，尽可能统一柱网布置和层高，重复使用标准层。

（2）高层建筑的位移控制是主要矛盾，除了平面体型和立面变化等方面考虑，应考虑提高结构的整体刚度，减小结构位移。在结构安排上，应加强整体结构和连接的刚度，加强构件的连接，使结构各部分以最有效的方式共同作用；加强基础的整体性，以减少由于基础平移或扭转对结构的侧移影响，同时，我们要注意加强结构的薄弱部位和复杂应力部位的强度。此外，增强整体宽度也可以减小侧向位移，在其他条件不变的情况下，变形与宽度的三次方成正比。因此宜对建筑物的高宽比加以限制，体型扁而重的建筑是不合适的，宜采用刚度较大的平面形状，如方形、接近方形的矩形、圆形、Y形和#形等塔式建筑，即把使用要求及建筑体型多样化和结构的要求有机地结合起来，又可形成侧向稳定的体系。

（3）在地震区，以减少对全局和局部的不良影响结构的地震作用，如扭应力集中的影响，建筑平面形状宜规正，避免过度伸展或收缩，沿高度的层间刚度和层间屈服强度的分部要均匀，主要抗侧力竖向构件，其截面尺寸、砼强度等级和配筋量的改变不宜集中在同一楼层内，应纠正“增加构件强度总是有利无害”的非抗震设计概念，在设计和施工中不宜盲目改变砼强度等级和钢筋等级以及配筋量。简单地说，每个部分的对称结构的刚度，结构单元的形状应该是简单的规则，垂直型应避免扩展和收入结构，避免了竖向刚度突变。平面的长宽比不宜过大，以避免两端相距太远，振动不同步，应使荷载合力作用线通过结构刚度中心，以减少扭转的影响。特别是建筑电梯的布置。

2.4 提高结构的抗震性能

由于高层建筑的特征应力不同于低层建筑，因此在地震区高层建筑的结构设计，除了结构具有足够的强度和刚度，而且具有良好的抗震性能。通过合理的抗震设计，使建筑小震不坏，中震可修，大震不倒。为了满足这一要求，结构必须吸收地震能量的能力产生一定的塑性变形，削弱地震破坏的影响。

框架结构的设计应使节点没有破坏，梁比柱的屈服易早发生，在同一层的柱端屈服过程尽可能长的时间，底层柱底的塑性铰宜晚形成，应使梁！柱端的塑性铰出现得尽可能分散，充分发挥整体结构的抗震能力。为了确保钢筋混凝土结构具有足够的延性和地震作用下的承载能力，应按照“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”的设计原则，对柱截面尺寸的合理选择，控制轴压比，注意构造配筋要求，特别是要加强节点的构造措施。

框架—剪力墙结构和剪力墙结构在各段剪力墙高宽比不宜小于2，使其在地震作用下弯剪破坏，且塑性屈服的墙尽可能多在底部。连梁宜在梁端塑性屈服，并有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效，按照“强墙弱梁”加强承载力剪力墙的原理，以避免墙肢的损坏，提高抗震能力。

3 结束语

高层建筑的结构体系、结构形式、结构布置、抗震性能等方面经过概念设计，从而更有效地创造新的措施和计划，提高建筑结构设计。国家对高层建筑抗震设计的要求也不断作了提高，这样会使我国的高层建筑在抗震设计方面必将进入新的阶段，这样地震能给我们带来的损失将会变得很小。