1、关于高层建筑结构设计问题初探摘要：随着我国经济的快速提升，以及城市化的的迅速发展，建筑的类型与功能多样化，高度不断增加，形成了不同的结构体系；高层建筑成为成为城市的主要标志，高层结构设计也随之成为结构工程师设计工作的主要工作。本文主要结合高层建筑结构设计，探讨一下建筑结构设计中应注意的问题。 关键词：高层建筑；结构设计；问题探讨 Abstract: With the rapid increase of Chinas economy, the rapid development of the city and, the type and function diversification, the
2、 height increases ceaselessly and formed the different structural systems of high-rise building. It becomes main sign of city. High-rise structure design has also become the main work engineers design work. This paper discusses the structural design should pay attention to the problem. Key words: hi
3、gh-rise building; structure design; discussion 中图分类号: TU3 文献标识码：A 文章编号： 引言 随着国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，功能俱全的高层建筑越来越多，城市化进程不断加快以及对高层、超高层建筑的结构体系的研究日益完善，使得高层、超高层建筑得迅猛发展。高层建筑的出现，不仅改变了城市的建筑格局和人们的居住模式，还在一定程度上反映出科学技术与社会经济发展的水平。 1 关于高层建筑结构设计的基本要求和特点 1.1 高层建筑结构设计的基本要求 （1）结构形式 建筑的划分标准，基本上以建筑使用功能、建筑材料、结构形式等进行分类。根据
4、建筑使用功能的不同，可大体上划分为工业建筑和民用建筑，民用建筑又可分为住宅建筑和公共建筑；根据建筑物材料的不同，可以划分为混凝土结构、钢结构、砌体结构、木结构等；根据建结构形式的不同，可以划分为框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架-核心筒体结构等。高层建筑结构形式主要以剪力墙为主，并根据建筑使用功能要求，进行结构形式的变化。 （2）高层建筑结构的设计要求 a 整体设计要求 整体设计指标是建筑结构设计的基本要求，是进行结构构件设计的前提，必须认真对待。 b 构件设计要求 在进行建筑物结构构件设计时，首先，结构构件要进行在极限状态的承载能力的计算，在满足承载能力的要求下，可以保证结构的安全
5、性；其次是要进行正常状态下承载能力的计算，保证结构能满足建筑功能的正常发挥，同时，实现建筑专业对建筑物的设计构想。 1.2 高层建筑设计特点 （1）水平荷载成为决定因素。 一方面，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的倾覆力矩，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。 （2）轴向变形不容忽视。 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
6、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。 （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，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，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。 （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
7、构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。 2 建筑结构应注意的问题 2.1 建筑结构分析的基本假定 高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架柱、剪力墙等）通过水平构件（楼盖）连接构成的大型空间结构体系，要想完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。以下是常见的一些基本假定： （1）弹性假定 目前，工程上使用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是，在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移而出现裂缝，进入到弹塑性工作阶
8、段。如果此时仍按弹性方法计算内力和位移，则不能反映结构的真实工作状态，而应按弹塑性动力分析方法进行设计。 （2) 小变形假定 小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。有不少研究人员对几何非线性问题（P- 效应）进行了研究。一般认为，当顶点水平位移 与建筑物高度 H 的比值 /H1/500 时，则 P- 效应的影响就不能忽视。 (3) 刚性楼板假定 许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法，并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般来讲，对于框架体系和剪力墙体系，采用这一假定是完全可以的
9、。但是，对于竖向刚度有突变的结构，如楼板刚度较小、主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，则楼板变形的影响较大，特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可对这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。 (4)计算图形的假定 高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形主要是三维空间分析。二维协同分析并未考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调（竖向位移和转角的协调） ，而且忽略了抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度，对于具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有 6 个自由度；按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲。 2.2 建筑结构的计算机分析
10、方法 (1)框架-剪力墙结构：框架-剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大多采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式也不相同。框架-剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。 (2)剪力墙结构 剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。按受力特性的不同，单片剪力墙可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。剪力墙的类型不同，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方
11、法是平面有限单元法，此法较为精确，而且适用于各类剪力墙。但由于其自由度较多,机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。 筒体结构 按照对计算模型处理手法的不同，筒体结构的分析方法可分为 3 类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只进行几何分布上的连续化，以便应用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上来分析。这类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型,是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆薄壁杆系矩阵位移法。这种方
12、法是将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构，空间梁柱每端节点有 6 个自由度。核心筒或剪力墙的墙肢采用符拉索夫薄壁杆件理论分析，每端节点有 7 个自由度,比空间杆增加了1 个翘曲自由度，对应的内力是双弯矩。三维空间分析的精度较高，但其未知量较多,计算量较大，在不引入其他假定时，每一楼层的总自由度数为 6Nc+7Nw（Nc、Nw 为柱及墙肢数目） 。通常均引入刚性楼板假定，并假定同一楼面上各薄壁柱的翘曲角相等，这样每一楼层的总自由度数降为3（Nc+Nw）+4，这是目前工程上采用最多的计算模型。 3 结语 我国的高层建筑业得到了快速的发展，但是在发展的过程中，我们还是应该遵循高层建筑的设计原则和设计理念，选择最有效的高层建筑结构体系，建设好我国的高层建筑，令其更加符合甚至是超越国际市场上的标准，为我国的高层建筑业谋得更长远的发展。 参考文献 1 梅洪元，付本臣。中国高层建筑创作理论发展研究，高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2002. 2 肖峻，高层建筑结构分析与设计J，中化建设，2008 3 姜牛.建筑结构设计中应注意的问题浅析J.价值工程，2010（36）.
