对高层建筑结构设计的探讨

摘要：随着城市化发展及建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多。高层建筑的结构设计不仅应保证其具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性。作者经过多年的工作经验对高层建筑结构设计中的几个问题进行探讨。

关键词：高层建筑；结构设计；理念

中图分类号：tu318文献标识码：a 文章编号：

1.结构设计的意义

概念设计的意义高层建筑能做到结构功能与外部条件一致，充分展现先进的设计，发挥结构的功能并取得与经济性的协调，更好地解决构造处理，用概念设计来判断计算设计的合理性。 2.建筑结构特点分析 2.1轴向形变不容忽视

通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。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。

轴向变形的影响在高层建筑结构分析中应当考虑，但是，结构所受的竖向荷载并不是在结构完成之后一次施加的。特别是，占竖向荷载绝大部分的结构自重是在施工过程中逐层施加的，轴向压缩变

形已在施工过程中分阶段完成，并在各楼层标高处找平，实际上并不完全类似于以上分析的情况。

所以，在考虑轴向变形时，要考虑施工过程中分层施加竖向荷载这一因素，不能简单的按一次加载考虑，否则会出现一些不合理的计算结果，如邻近剪力墙和筒体的上层框架柱，在竖向荷载作用下出现拉力；上层框架梁出现过大弯矩和剪力等。另外，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。 2.2侧移成为控制指称

与低层建筑不同，结构侧移己成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。结构顶点侧移与建筑高度h的四次方成正比。 水平均布荷载：

设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构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。这是因为高楼的使用功能和安全，与结构侧移的大小密切相关：

（1）使用人员的正常工作与生活。当高楼在阵风作用下发生振动的频率f为一定值时，结构振动加速度a与结构侧移幅值a成正比：a=a（2πf）。因而控制侧移幅值的大小成为保证高楼良好的居住和工作条件的关键因素。

（2）过大的侧向变形会使隔墙、围护墙以及它们的高级饰面材

料出现裂缝或损坏，此外，也会使电梯因轨道变形而不能正常运行。 （3）高楼的重心位置较高，过大的侧向变形将使结构因p-△效应而产生较大的附加应力，甚至因侧移与应力的恶性循环导致建筑物倒塌。

2.3结构延性是高层建筑设计重要性质

延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示。对于受弯构件来说，随着荷载增加，首先受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压区高度减小，受压区混凝土压碎，构件最终破坏。从受拉钢筋屈服到压区混凝土压碎，是构件的破坏过程。在这过程中，构件的承载能力没有多大变化，但其变形的大小却决定了破坏的性质。是钢筋砼受弯构件的m－δ（φ）曲线，δy是屈服变形，δu是极限变形。提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力。高层建筑相对低层结构而言，结构设计更柔一些，如果遇到地震，震动作用下的建筑结构变形更大一些。为了做好防震设计，避免倒塌，建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，特别需要在构造上采以适当的设计，确保建筑设计具有很好的延性。 3.高层建筑结构设计的几个问题 3.1高层建筑结构受力性能

对于一个建筑物的最初的方案设计，建筑师考虑更多的是它的空间组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑

物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。 3.2高层建筑结构设计中的扭转问题

建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心，在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点，即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏，应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做到三心合一。

在水平荷载作用下，高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀，减轻结构的扭转振动，应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下，由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不可能全部采用简单平面形式，当需要采用不规则l形、t形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内，同时，在结构平面布置时，应尽可能使结构处于对称状态。

3.3高层建筑结构设计中的侧移和振动周期

建筑结构的建筑结构的振动周期问题包含两方面：合理控制结构的自振周期；控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。

（1）结构自振周期高层建筑的自振周期（t 1）宜在下列范围内： 框架结构：t1=（0.1—0.15）n框一剪、框筒结构：t1=（0.08-0.12）n剪力墙、筒中筒结构：ti=（0.04—0.10）n n为结构层数。 结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内：

第二周期：t2=（1／3—1／5）t1；第三周期：t3＝（1／5—1／7）t1

（2）共振问题当建筑场地发生地震时，如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近，建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期，通过调整结构的层数，选择合适的结构类别和结构体系，扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别，避免共振的发生。

（3）水平位移特征水平位移满足高层规程的要求，并不能说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素。因为结构抗震设计时，地震力的大小与结构刚度直接相关，当结构刚度小，结构并不合理时，由于地震力小则结构位移也小，位移在规范允许范围内，此时并不能认为该结构合理。因为结构周期长、地震力小并不安全。其次，位移曲线应连续变化，除沿竖向发生刚度突变外。不应有明显的拐点或折点。一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型。框架结构的位移曲线应为剪切型t框一

剪结构和框一筒结构的位移曲线应为弯剪型。 3.4位移限值、剪重比及单位面积重度

（1）位移限值在结构整体计算的输出结果中，结构的侧移是一个重要的衡量标准，其数值大小从一个侧面反映出结构的整体刚度是否合适，过大或过小都说明结构刚度过小或过大，以致要引起设计者对其中的结构体系选择、结构的竖向及平面布置合理性的再思考。

（2）剪重比及单位面积重度结构的剪重比λ=vek／g是体现结构在地震作用下反应大小的一个指标．其大小主要与结构地震设防烈度有关，其次与结构体型有关，当设防烈度为7、8、9度时，剪重比分别为0.012，0.024．0.040；扭转效应明显或基本周期<3.5 s的结构剪重比则分别为0.016，0.032，0.064.单位面积重度v0＝g／a（kn／㎡）是衡量结构构件截面取值是否合理和楼层荷载数据输入是否正确的一个重要指标。式中的g由以下几部分，即结构构件自重、楼面建筑面层及天棚抹灰（或吊顶）重、填充墙（包括抹面层）重和楼面使用荷载组成；a则一般以地面以上的建筑面积总和计算，以便有一个相对准确的比较标准。定性地分析比较r 0值的大小，可得出以下结果，即一般内部隔墙多的建筑（比如住宅）大于间隔墙少的建筑（比如敝开式办公室）；层数多的建筑略大于层数少的同性质建筑}设防烈度高的建筑大干设防烈度低的同性质同规模建筑，剪力墙多的建筑大于剪力墙少甚至仅为框架的建筑。一般高层建筑的单位面积重度在10－18kn／㎡之间，除个别较特别

的以外，多数在15kn／㎡左右。 4.结语

建筑发展是一个高效化、集约化的综合系统工程，建筑设计者必须以当今经济现状和发展趋势为出发点，建立一个宏观、合理的结构设计理念，合理确定建筑设计标准、经济性措施和原则，这样不仅满足设计各类需求，同时改善人类的居住环境。