高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

王黨生

摘要：隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，以及建筑技術(shù)的成熟，高層建筑除了數(shù)量開始逐漸增多之外，建筑高度也在連漸增加，建筑風(fēng)格也發(fā)生了很大的變化。因此，研究高層建筑設(shè)計的原則是非常有意義的。本文從高層建筑結(jié)構(gòu)的特點展開分析，以高層建筑結(jié)構(gòu)和高層建筑結(jié)構(gòu)選型重點探討，使之保證設(shè)計的質(zhì)量，為高層建筑的質(zhì)量打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)選型

1高層建筑結(jié)構(gòu)的特點

1.1高層建筑抗震要求苛刻

高層建筑結(jié)構(gòu)受到自身特性的約束，和一般建筑有很大程度的不同。它在承受建筑結(jié)構(gòu)自身自重和活動荷載組成的豎向荷載同時，還要承受有外界由風(fēng)壓以及水平地震作用所產(chǎn)生的水平荷載。很多時候，高層結(jié)構(gòu)還應(yīng)該考慮地震發(fā)生時產(chǎn)生的豎向地震作用影響，由此可見高層建筑對于抗震能力的要求有多么苛刻。一般來講，多層建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載和豎向荷載作用下，受到的影響有限，但是高層就不同了。在外界地震作用之下，高層建筑受到的結(jié)構(gòu)破壞是毀滅的，而就風(fēng)壓方面而言，高層的外界風(fēng)力也是多層所不能比擬的。隨著建筑物高度的不斷增加，高層建筑過大的側(cè)移不會影響居住者的舒適程度，但是對于結(jié)構(gòu)的影響很大，過大的側(cè)移會損壞建筑的結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。鑒于此，在進行高層建筑設(shè)計的過程中，把側(cè)移控制在合理的范圍之內(nèi)是重要的標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能在實用性和安全性方面得到平衡。因此，可以說，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的核心內(nèi)容就是通過對外界地震作用以及風(fēng)壓作用的計算，做好抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

1.2高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)定

（1）高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，10層和10層以上或房屋高度超過28m的建筑為高層建筑。

（2）民用建筑設(shè)計通則規(guī)定，以高度為24m、100m的住宅和公共建筑分別列為高層及超高層建筑，其防火要求不同。實際上結(jié)構(gòu)沒有確切的劃分低層、中層和高層的界限，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計而言影響設(shè)計的重要因素——水平荷載及其效應(yīng)是隨高度而漸變的。低層、中層和高層建筑都要承受豎向荷載和水平荷載（風(fēng)荷載及地震作用），其結(jié)構(gòu)設(shè)計原理基本相同，但控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的因素不同；豎向荷載作用下的基底軸力與結(jié)構(gòu)高度成正比，水平荷載產(chǎn)生的基底剪力與結(jié)構(gòu)高度成正比；但水平荷載產(chǎn)生的總體傾覆力矩與結(jié)構(gòu)高度平方成正比，而頂點側(cè)移與結(jié)構(gòu)高度四次方成正比。低層建筑有豎向荷載控制，高層建筑一般由水平荷載控制。圖1為高層建筑物受力簡圖。

說明隨著高度H的增加，起控制作用的底部彎矩和頂部側(cè)移隨之成平方和4次方增長。

由此可知，低層主要承受豎載；多層時同時考慮水平力（風(fēng)載、地震力）但不很突出；高層時水平力影響成為主要控制因素。

1.3水平荷載成為決定因素

隨著城市化進程的加快，城市中的工業(yè)發(fā)展十分迅速，并且大量的人口涌入城市，在對城市發(fā)展做出貢獻(xiàn)的同時，也對城市的發(fā)展造成了一定的壓力。因為城市中的土地資源是有限的，而人口卻在逐漸的增長，所以土地資源十分珍貴。為了滿足人們的需求，建筑的高度在逐漸的增加，越來越多的高層建筑、超高層建筑出現(xiàn)在人們的視野中。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中就要對水平荷載進行充分的考慮，隨著樓層的增加，水平荷載所產(chǎn)生的作用力也將越大，所以在考慮抗震性的同時要對水平荷載給予重視。并且水平荷載也越來越成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中的決定性因素。

1.4抗震設(shè)計要求更高

抗震設(shè)計是每個建筑在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計中都要考慮的問題，但是對于高層建筑而言就要提高標(biāo)準(zhǔn)。因為高層建筑無論是在高度上還是在荷載的承受力方面都具有非常高的強度，所以要比普通建筑的標(biāo)準(zhǔn)提升很多，具有良好的抗震性能。

1.5高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的側(cè)移和振動周期

結(jié)構(gòu)自振周期高層建筑的自振周期（T1）宜在下列范圍內(nèi)：框架結(jié)構(gòu)：T1=（0.1-0.15）N框一剪、框筒結(jié)構(gòu)：T1=（008-0.12）N剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)：T1=（0.04-0.10）N，N為結(jié)構(gòu)層數(shù)。

結(jié)構(gòu)的第二周期和第三周期宜在下列范圍內(nèi)：第二周期：髓=（1/3-1/5）T1；第三周期：T3=（1/5-1H）T1。

共振問題當(dāng)建筑場地發(fā)生地震時，如果建筑物的自振周期和場地的特征周期接近，建筑物和場地就會發(fā)生共振。因此在建筑方案設(shè)計時就應(yīng)針對預(yù)估的建筑場地特征周期，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的層數(shù)，選擇合適的結(jié)構(gòu)類別和結(jié)構(gòu)體系，擴大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別，避免共振的發(fā)生。

1.6延性是非常關(guān)鍵的設(shè)計內(nèi)容

比對那些層數(shù)比較低的建筑體來講，高層的結(jié)構(gòu)具有更多的柔性意義，當(dāng)受到地震影響的時候，它的變形更厲害。為保證結(jié)構(gòu)能夠有優(yōu)秀的變形水平，防止塌陷現(xiàn)象發(fā)生，要重點在構(gòu)造上使用優(yōu)秀的方法，以此來確保其有著非常好的延性特點。

2高層建筑結(jié)構(gòu)的分析

2.1高層建筑結(jié)構(gòu)分析的基本假定

高層建筑結(jié)構(gòu)是由豎向抗側(cè)力構(gòu)件（框架、剪力墻、簡體等）通過水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系。想要完全利用三維結(jié)構(gòu)作為研究的全部依據(jù)很不容易，各種方法都是為了更方便簡化的完成模型計算，以下是通常能有效利用的假定。

2.2軸向變形不容忽視

對于高層建筑結(jié)構(gòu)，由于層數(shù)多，高度大，軸力值很大，沿高度積累的軸向變形很顯著，軸向變形會使高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)值與分布產(chǎn)生顯著的改變。對連續(xù)梁彎矩的影響：由于中柱和邊柱的軸向壓縮變形不同，往往會使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值及跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩發(fā)生變化。對構(gòu)件剪力和側(cè)移的影響，在考慮豎向桿件軸向變形與不考慮豎桿件軸向變形相比較，各構(gòu)件水平剪力和側(cè)移都會產(chǎn)生很大的誤差。由此可見，在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，構(gòu)件的軸向變形必須列入到設(shè)計考慮的范圍中采。

2.3小變彤假定

小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題（P-A效應(yīng)）進行了一些研究。一般認(rèn)為，當(dāng)頂點水平位移△與建筑物高度H的比值A(chǔ)/H>1/500時，P-△效應(yīng)的影響就不能忽視了。

2.4彈性假定

目前工程上實用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性計算方法。在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實際工作狀況，但是在遭受罕見地震或強臺風(fēng)作用時，高層建筑結(jié)構(gòu)往往會產(chǎn)生較大的位移，出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)進入到彈塑性工作階段。此時仍接彈性方法計算內(nèi)力和位移時不能反映結(jié)構(gòu)的真實工作狀態(tài)，應(yīng)按彈塑性動力分析方法進行設(shè)計。

2.5剛性樓板假定

許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)的自由度，簡化了計算方法。并為采用空間薄壁桿件理論提供了便利。一般來說，對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是，對于豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)，樓板剛度較小，主要抗側(cè)力構(gòu)件間距過大或?qū)訑?shù)較少等情況，會使樓板變形較大。特別是對結(jié)構(gòu)底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯?？蓪⑦@些樓層的剪力作適當(dāng)調(diào)整來考慮這種影響。

2.6計算圖形的假定

高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計算圖形有三種：一維協(xié)同分析。使用這一辦法，只注意側(cè)力構(gòu)件與位移自由之間的協(xié)調(diào)，并利用水平力的推動下，把復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡單地看作是被水平力推動的抗側(cè)力所影響的平面，依據(jù)對剛性樓板進行的假定，一個樓面內(nèi)所存存在的構(gòu)件標(biāo)高構(gòu)件移動相似，可以看作是等值，用這一辦法能夠創(chuàng)建一維方程，而受到扭矩的影響，要依照同層樓板上各抗側(cè)力構(gòu)件轉(zhuǎn)角相等的條件建立基本方程。一維協(xié)同分析方法被使用的幾率很大，各種形式都有所利用。

二維協(xié)同分析。二維協(xié)同分析雖然仍將單榀抗側(cè)力構(gòu)件視為平面結(jié)構(gòu)，但考慮了同層樓板上各榀抗側(cè)力構(gòu)件在樓面內(nèi)的變形協(xié)調(diào)。縱橫兩方向的抗側(cè)力構(gòu)件共同工作，同時計算；扭矩與水平力同時計算。在引入剛性樓板假定后，每層樓板有三個自由度u，v，o（當(dāng)考慮樓板翹曲是有四個自由度），樓面內(nèi)各抗側(cè)力構(gòu)件的位移均由這三個自由度確定。剪力樓板位移與其對應(yīng)外力作用的平衡方程，用矩陣位移法求解。二維協(xié)同分析主要為中小微型計算機上的桿系結(jié)構(gòu)分析程序所采用。

三維空間分析。二維協(xié)同有所缺陷，對位移和力的考慮并不全面，并且，對剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度等的空間筒體的處理是不算精確的，三維空間所表達(dá)的內(nèi)容有所增大，自由度按照理論原則的不同可以分別產(chǎn)生6～7個，同時，對于翹曲等問題也考慮在當(dāng)中，使得對問題的反應(yīng)更全面更立體。

3高層建筑結(jié)構(gòu)選型

3.1高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型

在高層建筑施工的過程中，其施工工藝十分重要，不僅對建筑的質(zhì)量、進度和工期有所影響，同時還會影響到建筑結(jié)構(gòu)承受荷載的能力以及抗震性的強弱。所以說在對高層建筑的結(jié)構(gòu)體系進行選型階段，要對施工工藝給予一定的重視。

3.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系

在剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻作為承重構(gòu)件不僅承受豎向荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載，還需要具備抵抗地震作用的能力。剪力墻沿橫向和縱向正交布置或斜交布置，它的主要特點是剛度大、用鋼量少、空間整體性好。在高層住宅中，由于房間面積一般不大，而且分隔墻較多，用戶對建筑沒有大空間的要求，可以將剪力墻與分隔墻合二為一，降低了建筑物的造價，節(jié)約成本。同時剪力墻可以隱藏在填充墻中，使房間不露梁柱，使建筑達(dá)到很好的整體美觀效果。因此，剪力墻結(jié)構(gòu)受到開發(fā)商和業(yè)主的廣泛歡迎，使得該結(jié)構(gòu)體系在高層住宅中得以廣泛應(yīng)用。

3.3簡體結(jié)構(gòu)體系

凡采用簡體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為簡體體系，包括單簡體、簡體一框架、簡中簡、多束簡等多種型式。簡體是一種空間受力構(gòu)件，分實腹簡和空腹簡兩種類型。實腹簡是由平面或曲面墻圍成的二維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹簡是由密排柱和窗裙粱或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。簡體體系具有很大的剛度和強度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。

4結(jié)束語

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項技術(shù)性很強的綜合性工作，是整個建筑質(zhì)量的最基礎(chǔ)保證。隨著經(jīng)濟水平的迅猛發(fā)展及科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，高層建筑的形式、材料、力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜多元，為此隨著我國國力的的不斷增強，我們不僅應(yīng)該借鑒外國先進的建筑技術(shù)，更加應(yīng)該注意密切結(jié)合我國的具體國情。這樣，我們必將能走出一條具有中國特色的高層建筑之路。