结合实例分析高层建筑结构设计探析

章婷花

摘要：高层建筑结构设计是针对高层建筑特性的建筑结构设计在满足安全、适用、耐久、经济和施工可行的要求下，按有关设计标准的规定，对建筑结构进行总体布置、技术经济分析、计算、构造和制图工作，并寻求优化的过程。笔者根据工作实践经验，就高层建筑的结构设计特点进行分析，结合实例突出高层建筑的设计特点，并总结了高层建筑的结构体系类型。

关键词：高层建筑；结构设计；水平载荷；变形；侧移

一、结构分析与设计特点

1.水平载荷产生的内力及侧移的影响

任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。在较低楼房中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，水平荷载产生的内力和位移很小，对结构的影响也就较小；但在较高楼房中尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，水平荷载却起着决定性的作用。随着楼房层数的增多，水平荷载作用下结构产生的内力及侧向位移迅速增大，这同样也要求结构具有足够的抗侧刚度，使之在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。总之水平荷载愈益成为结构设计中不可小视的控制因素。在6度抗震设防设计中，很多情况是风作用为控制性工况；在7度以上抗震设防设计中地震作用是控制性作用，地震作用对高层建筑危害的可能性也比较大，高层建筑结构设计中的抗震设计是重点。

2.竖向变形的影响

通常在多层建筑结构分析中，由于轴力项影响很小，多以考虑弯矩项为主。但对于高层建筑结构，情况就不同了。由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。对连续梁弯矩的影响：采用框架体系和框-墙体系的高楼中，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，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，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增大。

3.结构整体刚度的影响

高层建筑的刚度决定其在地震中吸收与释放能量的大小，刚度大的建筑在地震中吸收的能量多，释放的较少；较柔的结构在地震中吸收的能力少，释放的多。故此结构在地震中的整体刚度表现一定要适中，特别需要在构造上采以恰当的措施，来保证结构的刚度要求。

二、高层结构体系

通过受力因素分析，下一步就考虑采用什么结构体系，有下面几种高层建筑结构体系可供选择：框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒中筒结构等。根据其受力特点，选取合适的结构体系或其组合体系。

1.框架体系

框架结构的主要受力构件由框架梁、框架柱、基础组成，从而形成空间整体受力体系。其体形布置较为自由，空间可以灵活分割。但高层框架体系抗侧刚度较差，水平位移较大，为了满足侧向刚度及使用要求底层的框架柱往往需要较大的截面，对使用功能及经济效益都有一定影响。

2.剪力墙体系

剪力墙结构体系是利用钢筋混凝土墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构体系。钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求容易满足，其抗震性能良好，适于建造较高的高层建筑。但鉴于其受制于受力与传力的要求，其空间布置较不灵活，也不宜开设较大洞口，对于一些对空间分割有要求的公共高层建筑较难满足。

3.框架—剪力墙体系

在框架体系中适当布置能抵抗水平推力的墙体，并使框架柱、楼板有可靠连接而形成的结构体系。房屋的竖向荷载由框架柱和剪力墙共同承担，而水平荷载则主要由刚度较大的剪力墙来承受。由于有了剪力墙，其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙和外墙）的损坏。这样无论在非地震区还是地震区，都可以用来建造较高的高层建筑。还可以把中间部分的剪力墙形成简体结构，布置在内部，外部柱子的布置就可以十分灵活。

4.筒中简体系

筒体结构由框架或剪力墙围合成竖向井筒，并以各层楼板将井筒四壁相互连接起来，形成一个空间构架。通常简体结构基本形式有三种：实腹筒、框筒及桁架筒。筒体结构最主要的特点就是它的空间受力性能良好。不论哪一种简体，在水平力作用下都可看成固定于基础上的箱形悬壁构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有良好的抗扭刚度。简中筒結构是一种抵抗较大水平力的有效结构体系，但其抗侧刚度较大，吸收地震能量大，延性不好，这就造成造价比较高，从经济效益角度考虑还需慎重。

三、高层建筑结构实例分析

某项目建筑高度120米，结构十七层，结构体系为框架-剪力墙体系。结构技术含量较高，计算繁琐，但图上作业量相对不大，结构布置较规则。除有牢固的支撑体系，包括泥浆护壁钻孔灌注桩、梁、柱及剪力墙外，还引入了混凝土斜柱和钢结构塔尖，属相对较为复杂的受力部分，其中本工程的亮点是位于结构第八与十二层引入了斜柱支撑体系，层高为5.1米，其竖向力可分解为沿柱的轴力与垂直于柱的剪力，故柱底弯矩要比竖向布置的框架柱大很多，斜柱箍筋全长加密。但施工时在柱底节点区域遇到较大困难，由于箍筋排布较密，成品双肢箍很难套进内部，而在结构计算时此节点也需要密布此种箍筋，故现场采用两根单肢箍在节点区域直接焊接成双肢箍，成功的解决了箍筋排布困难的问题。

鉴于高层建筑在我国越来越广泛的应用，其建筑立面效果的要求相对过去也有了很大的提高，结构封顶后的设备安装也成为一大难点，这不但需要施工单位有完善合理的施工进度计划和流水作业安排，也同样要求我们设计人员有良好的施工意识，密切结合实际操作步骤进行图纸作业。

四、结语

总之，结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。设计人员要从一个个基本的构件算起，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计，在工作中应认真思考，善于总结工作中的经验和教训。

参考文献：

[1]方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].机械工业出版社，2004.

[2]肖峻.高层建筑结构分析与设计[J].中化建设，2008.

[3]范小平.高层建筑结构概念设计中相关的几个问题应用分析[J].福建建材，2008