高层建筑结构体系设计与计算

　　近年来，由于城市规划的需要和建设用地的日益紧张，高层建筑越来越多。本文主要研究如何进一步做好高层建筑的设计与施工，以更充分发挥高层建筑的作用，满足不同用户的需要和适应现代社会高效率、快节奏的要求。

　　1 高层建筑结构体系的特点

　　1.1 框架结构体系

　　框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构，框架形成可灵活布置的建筑空间，具有较大的室内空间，使用较方便。

　　由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制;剪切型变形，即层间侧移随着层数的增加而减小;框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用不多;高度一般控制在70m以下。

　　1.2 剪力墙结构体系

　　当剪力墙的高宽比较大时，是一个受弯为主的悬臂墙，侧向变形是弯曲型，即层间侧移随着层数的增加而增大。剪力墙结构在住宅及旅馆建筑中得到广泛应用。因此这种剪力墙结构适合于建造较高的高层建筑。

　　在承受水平力作用时，剪力墙相当于一根下部嵌固的悬臂深梁。剪力墙的水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成。高层建筑剪力墙结构，以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲形，特点是结构层间位移随楼层增高而增加，

　　1.3 筒体结构

　　单个筒体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墙组成空间薄壁筒体，即为实腹筒;框架通过减小肢距，形成空间密柱框筒，即框筒;筒壁若用空间桁架组成，则形成桁筒。

　　1.4 巨型结构

　　巨型结构一般由两级结构组成。第一级结构超越楼层划分，形成跨若干楼层的巨梁、巨柱(超级框架)或巨型衍架杆件(超级衍架)，以这巨型结构来承受水平力和竖向荷载，楼面作为第二级结构，只承受竖向荷载并将荷载所产生的内力传递到第一级结构上。常见的巨型结构有巨型框架结构和巨型桁架结构。

　　2 高层建筑结构设计基本要求

　　2.1 结构的规则性

　　高层建筑应采用规则的结构体系，如下列要求：(1)应具有必要的承载能力、刚度和变形能力。(2)对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施予以加强。(3)应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力。

　　2.2 规则结构的主要特征

　　建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性;建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。

　　2.3 规则平面布置需满足的要求

　　结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称，减少扭转的影响。在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，风力作用下则可适当放宽。抗震设防的高层建筑，平面形状宜简单、对称、规则，以减少震害。在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面布置。

　　3 高层建筑的结构概念设计和整体计算

　　3.1 认真做好结构方案的概念设计

　　在进行结构设计时不能完全依赖计算机，而应重视概念设计。结构的概念设计与建筑师的方案设计是相互影响、相互协调的。结构概念设计的目的首先是在初步设计以前为所设计的工程项目设定一个总体性的方案，根据建筑意图和使用功能的需要，根据当地建造条件、材料来源和业主对资金的使用等多方面因素的要求，使得下一步的设计施工和维护使用都能做到“又好、又快、又省”。由于高层建筑自身的一些特点，如：投资规模大，技术要求高，设计施工复杂，加上地基基础的特殊性，结构设计的最优化并不一定就是综合经济效果的最优化。其次，选用一个合理的高层建筑结构体系也是要在结构概念设计过程中应该解决好的问题。

　　3.2 结构整体计算准确与计算结果分析无误

　　结构计算是高层结构设计的核心部分。首先，根据所选取的结构体系，选用准确的结构模型和选取正确的结构设计软件。其次，结构计算开始前，设计人员先要根据规范的具体规定和软件手册对参数意义的描述，以及根据工程的实际情况，对结构参数和特殊构件进行正确设置。

　　3.2.1部分结构参数的确定

　　混凝土容重宜取27～30。结构构件梁、柱、剪力墙等考虑粉刷或装饰面层后的容重应大于25kN m 3，如考虑20厚砂浆粉刷，当柱截面为400×400时，γ=(4402-4002)×20/4002+25=4.2+25=29.2，当柱截面为时600×600，γ=(6402-6002)×20/6002+25=2.7555+25=27.8，如柱截面为1000×1000，γ=(10402-10002)×20 10002+25=1.632+25=26.632，梁250×500 ( 板厚按 100mm计)：γ= (290×420-250×400)×20/(250×500)+25 =3.488+25=28.5，梁300×800(板厚按100mm计)：γ=(340×720-300×700)×20(300×800) +25=2.9+25=27.9，剪力墙厚200：γ=40×20/200+25=4+25=29，剪力墙厚300：γ=40×20/300+25=2.67+25=27.67，可见，梁、柱、剪力墙截面尺寸越小容重越大，如贴面砖、花岗石，容重还要加大，设计人员应综合考虑工程梁、柱、剪力墙的截面尺寸大小及面层材料，确定一个较合适的混凝土容重值。

　　周期折减系数：周期折减系数的目的是为了充分考虑框架结构和框剪结构的填充墙刚度对计算周期的影响，必须折减，否则使地震作用偏小。周期折减系数应根据本工程填充墙的多少来确定周期折减系数值，填充墙多取小值，填充墙少取大值，《高规》第3.3.16条规定计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减，第3.3.17条规定一般框架结构取0.6～0.7，框剪结构取0.7～0.8，剪力墙结构取0.9～1.0。

　　梁端弯矩调幅系数：一般现浇框架为0.8～0.9《(高规》第5.2.3条)，一般可填0.85。有些设计人员梁端弯矩不调幅，是不恰当的，因为更容易引起梁端负弯矩钢筋过大、根数过多，影响混凝土浇筑，且配筋率更容易超过2.5%及梁下部钢筋与梁端负弯矩钢筋的比值不满足规范要求;再者，梁端负弯矩一般均比梁跨中下部弯矩大得较多，不调幅反而会导致偏于不安全。

　　3.2.2 结构整体计算

　　(1)适用高度和高宽比。在带有大型裙房的复杂高层建筑中，计算高宽比的房屋高度和宽度可按裙房以上部分考虑。对于带悬挑的结构，结构房屋宽度应按扣除悬挑宽度厚的结构宽度计算。

　　(2)周期比。如果周期比不满足规范的要求，设计人员需要增加结构周边构件的刚度，或者在结构的刚度有富余时，适当降低结构中间构件的刚度，使得结构满足规范要求。判断结构扭转为主的第一自振周期T t时，可以通过计算振型方向因子来判断。在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中，当转动方向因子大于0.5时，则该振型可认为是扭转为主的振型。

　　(3)位移比(层间位移比)是控制结构平面不规则性的重要指标。其限值在《抗震规范》和《高规》中均有明确的规定。位移比的大小是判断结构是否规则的重要依据，设计人员应正确选用考虑偶然偏心影响的单向地震下的位移比。

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文章名称： 高层建筑结构体系设计与计算

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