高层建筑结构设计及选型分析

文/陈晓平、卢嘉 重庆建筑工程职业学院 重庆 400030

高层建筑结构设计及选型分析

文/陈晓平、卢嘉 重庆建筑工程职业学院 重庆 400030

随着社会经济的发展，高层建筑在城市发展中占据的比例越来越高；高层建筑中，结构设计与选型是重要的构成方式，通过结构设计与选型能够将高层建筑的外形特征表现出来，同时也保证了建筑的各项功能的实现。本文在分析高层建筑结构设计要点及相关体系的基础上，进一步对其设计分析方法进行了解析，希望以此为高层建筑结构设计的优化及完善提供一些具有价值的参考建议。

高层建筑；结构设计；选型分析

1、引言

高层建筑具有更高的社会经济效益，高层建筑也是生产力和消费水平不断提升的必然趋势。随着我国城市化进程不断推进，城市人口持续增加，土地资源日益紧缺，急需发展高层建筑来解决这些问题。高层建筑有利于缓解我国城市土地资源紧缺问题，减少市政建设投资、缩短建筑工期，而且高层建筑的功能更加丰富，符合人们对建筑功能的需求。但是高层建筑质量及其功能发挥依赖于建筑结构设计，只有合理设计高层建筑结构造型才能充分其发挥起功能。文章对高层建筑结构设计及选型进行分析。

2、高层建筑结构类型

高层建筑结构主要分为三种类型：①剪力墙结构。剪力墙结构是指建筑内外墙采用剪力墙设计方式，利用剪力墙承担建筑负荷。②筒体结构。筒体结构分为框架-核心筒和筒中筒两种类型，前者的受力特点为框架、筒体分别承受竖向和水平荷载，变性特点与框剪墙存在一定相似之处，但是其抗侧刚度性能更好。筒体结构计算方法三维空间法，计算结果的精度更高。③框架-剪力墙结构。该结构由多个框架和剪力墙共组成，该结构类型优点在于位移和内力设计防范方式较多，但是连梁连续化假定方法计算位移协调条件时，应该按照框架水平位移和剪力墙转角设计，建立外荷载与位移关系的微分方程。但是需求和因素未知量之间存在差异，微分方程存在不同解。

3、高层建筑结构设计分析

3.1 结构设计中水平荷载控制分析

高层建筑相对于底层建筑而言,其整体结构对水平载荷具有较大的承载量,因此,高层建筑整体稳定性直接受高层建筑结构设计中水平荷载水平控制的影响。建筑承受的倾覆力矩、建筑的偏心轴向力等都与高层建筑的水平荷载具有直接的关系,其关系为二次方倍数关系。因此,高层建筑结构设计中,对水平荷载需要进行严格的控制,从而使得由于过大的水平荷载造成的连锁性稳定性问题得到有效控制。

3.2 合理确定抗侧刚度

高层结构设计时，较之于低层建筑有所差异，而且会给结构侧移造成较大的影响。受楼层高度变化的影响，随着水平荷载测量变形的影响，结构侧移也会越来越大。因此，进行高层建筑结构设计时，要求结构强度要达到一定程度，还要能承受荷载作用带来的内力影响，与此同时，要求抗侧刚度也须具备，保证结构在水平荷载作用下对侧移的情况进行控制。

3.3 确定测控

与低层建筑相比，高层建筑结构更容易出现结构侧移问题，并成为高层建筑结构的重要因素。随着楼层增加，水平荷载侧变形也越来越大。高层建筑结构不仅需要具备一定强度，还需具备承受荷载作用产生的内力作用和抗侧刚度，以防建筑结构在水平荷载作用下发生侧移。

4、高层建筑结构选型的方法

4.1 定量方法

高层建筑结构选型还可以采用定量的方法,即在结构设计中设置好结构体系比较和选择的范围,先舍弃结构选型中的一些次要的影响因素,进行定量选择在运用定量方法进行结构选型时,忽略掉不容易将影响因素转换成数学计量单位进行评估比较的成分,把可以转换成数学计量单位的成分因素留下,再将这些成分进行计算比较。例如,在高层建筑结构选型时,计算工程建设的工程概况中相关的数据、将结构造价与整个建筑的成本价格进行比较、结构施工工期与整体成本的比较。在这些比较中,包括了利息、租金等计算。依据定量的方法进行结构选型,实际上也具有一定的局限性,在定量计算时仅仅只是以整体成本为目标,而且定量计算中的数据是无法分析的。此外,定量计算在数据的选择上会受到人为的主观的影响,最后结构选型的方案也会受到影响。

4.2 结构布置

通过对建筑的使用功能进行考虑，选择框架一核心筒结构，剪力墙与框架抗震等级均为一级。对结构平面进行布置时，要考虑到结构对水平和竖向荷载的抵抗能力，在核心筒位置布置剪力墙，受力明确、传力直接，墙体对称布置，考虑扭转因素的影响，在对建筑使用功能不受影响的基础上，将抗侧力剪力墙布置在建筑平面四角位置，降低扭转带来的影响。建筑平面布置规则相对比较简单，只需考虑刚度对称，减少地震作用影响，在核心筒内部设置电梯井筒，框架布置根据建筑平面进行即可。布置结构构件时，尽量保证梁与柱的重心重合，从而可以有效地保证作用力直接传导，如果梁和柱的重心无法重合时，就需要在计算时，对梁和柱的重心在核心区出现受力偏心对结构带来的一些不利影响，如果偏心距较大，一般大于柱宽的1/4时，可采用增加梁的水平加腋措施来解决，从而可有效降低由于偏心过大而带来的不利影响。

4.3 迷糊推理法

在进行高层建筑结构选型时,相关的建筑结构设计人员可以在运用信息技术的基础上进行模糊推理,建立一个完整的综合评判的数学模型。在模糊推理的过程中,可以将影响结构选型的某些定性、定量的因素综合起来,再根据所有相关的数据和信息进行分析。由于在推理的过程中依据的是大量的真实数据,因此在进行结构选型时具有一定的准确性。「3」但是,运用模糊推理的方法也有其自身的缺陷,就是在推理时考虑到的数据和因素具有极大不确定性和模糊性,在所有的因素影响下,高层建筑的结构选型需要进行多目标决策。这个方法最大的优势在于,结构选型能够做到较为客观与科学。

结语：

高层建筑结构设计融合结构分析、数学优化与计算机技术等,作为综合性技术工作其实用性非常强。随着高层建筑的不断发展,结构体系越来越复杂,建筑平面功能越来越高,因此,在高层建筑的结构设计与选型方面的要求也不断提高。基于高层建筑稳定与安全的基础上,对高层建筑的结构进行科学设计与合理选型,从而不断推动高层建筑设计技术的发展。

[1]丁洁民,吴宏磊,赵昕.我国高度250m以上超高层建筑结构现状与分析进展[J].建筑结构学报,2014,03:1-7.

[2]张启盛.多高层框架剪力墙结构整体优化设计理论及控制因素研究[D].西华大学,2011.

[3]马令勇,刘功良,姜伟.基于MATLAB神经网络的高层建筑结构选型研究[J].土木建筑工程信息技术,2010,03:14-19.

[4]谢绍刚.重庆庆丰国际大厦钢筋混凝土巨型结构分析与设计[D].重庆大学,2005.

[5]邝世杰.具有高位大跨局部转换的高层建筑结构分析和设计[D].华南理工大学,2012.

TU973

A