浅谈高层建筑结构设计特点与体系

　　摘 要;本文通过分析高层建筑的现状，总结了高层建筑结构的设计特点，并简要论述了现有的各种结构体系及其优缺点，从而进一步完善高层建筑结构设计，促进高层建筑的发展。

　　关键词：高层建筑设计;结构体系;特点

　　Abstract: This article through the analysis of the status quo of high-rise building summed up the high-rise building structure design features, and briefly discusses the existing structure system and its advantages and disadvantages, so as to improve the structural design of high-rise building, promote the development of high-rise building.

　　Key words: high-rise building; structure system; characteristics of

　　中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2012)

　　高层建筑体量巨大，视觉冲击力强，充分体现了现代建筑技术、美学、文化等魅力，对城市形态也有重要的影响。随着高层建筑在我国的迅速发展，高层建筑越来越多，如何正确进行结构概念设计，以满足“安全、经济、适用”的要求，也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。

　　1高层建筑结构设计特点

　　(1)平面与竖向的规则是实现合理设计的前提

　　对抗震有利的建筑，平面布置宜简单、规则、对称、减少偏心。为了保证楼板在平面内有很大的刚度，也为了防止或减轻建筑物各部分之间震动不同步，建筑平面长度和平面突出部分长度不宜过长。在规则平面中，如果结构刚度不对称，仍然会产生扭转。所以，在布置抗侧力结果时，应使结构均匀分布，令荷载合力作用线通过结构刚度中心，以减少扭转的影响。建筑的竖向体型变化要规则、均匀，宜优先采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状，尽量避免过大的外挑和内敛，结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐地减小。因为立面形状的突然变化必然带来质量和侧向刚度的剧烈变化，地震时，该突变部位就会剧烈振动或塑性变形集中效应而加重破坏。

　　(2)稳定和倾覆不容忽视

　　因为在高层建筑中结构处于竖向荷载和水平荷载的共同作用下工作。而楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的值，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，以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比;随着建筑物高度的增加，高宽比的加大，尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响，但水平荷载对结构产生的内力随着高度是增加起着决定性的作用，成为确定结构体系的关键性因素。因此，结构的设计是由水平荷载控制的。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。在水平荷载中，地震作用是动力作用，而风力作用则包含静力作用和动力作用。高层建筑对风的动力作用比较敏感，风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在风荷载作用下，建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比，而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比，如果高层建筑的侧移很大，其重力作用合力点移至基底平面范围以外，则可能发生倾覆问题。在地震区，高层建筑往往受地震作用控制，所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑分析的重要内容。

　　(3)结构延性是重要设计指标

　　一般来说，一个延性结构在地震初期，结构所吸收的能量，是以动能和弹性应变能的方式暂时储存于结构内，在一段时间后的地震中、后期，由于结构在强震的持续作用下，许多部位相继屈服，于是结构以阻尼和非弹性变形能的方式吸收并耗散能量。这样的结构之所以能够耗散这样的能量，经受强震考验而不倒塌，是由于结构的良好延性所提供是保证。因为结构延性好，变形能力强，则结构吸收与耗散地震能量的能力就大。相对于较低楼房而言，高层建筑结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。因此,设计时结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小,变化均匀,连续,不要变。当出现了竖向不规则结构时,我们应考虑多种因素的精确分析方法,最好进行弹塑性时程分析,合理确定软弱楼层的塑性集中变形,采取增大楼层结构延性等措施,提高其变形能力。同时,高层建筑的抗水平力构件应沿房屋周边布置,以便能提供足够大的扭转力矩构件沿周边布置形成空间结构后,也可提供较大的抗倾覆力矩来保证结构具有足够的延性同时结构还保持着相当的承载能力以承受竖向重力荷载，以保证结构不倒塌。

　　2高层建筑的结构体系

　　(1)框架结构体系

　　框架结构的特点是结构自身重量轻，适合要求房屋内部空间较大、布置灵活的场合。整体重量的减轻能有效减少地震作用。如果设计合理，框架结构的抗震性能一般较好，能达到很好的延性。但同时由于侧向刚度小，地震时水平变形较大，易造成非结构构件的破坏。结构较高时，过大的水平位移引起的P-△效应也较大，从而使结构的损伤更为严重，故框架结构的高度不宜过高。框架只能在自身平面内抵抗侧向力，必须在两个正交方向设置框架，以抵抗各个方向的侧向力。框架结构的梁与柱不允许铰接，必须采用刚接，使梁端能传递弯矩，同时使结构有良好的整体性和较大的刚度。

　　(2)框架一剪力墙体系

　　当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替，因此成为高层建筑的主要结构形式。从结构体系上看既有框架结构布置灵活、延性好的特点，也有剪力墙结构刚度大、承载力大的特点，是一种比较好的抗侧力体系。框架部分和剪力墙部分是通过楼板连接的，在这种情况下，刚性楼板保证了在水平力下，同一楼层处剪力墙部分和框架部分的水平位移相同。框架-剪力墙结构是一种双重抗侧力结构，结构中剪力墙的刚度大，承担大部分层剪力，框架承担的侧向力相对较小。因此，限制了这种结构形式的建造高度和层数。但是在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。延性的抗震墙是第一道防线，令其承担全部地震力，延性框架是第二道防线，要承担墙体开裂后转移到框架的部分地震剪力。

　　(3)剪力墙结构体系

　　剪力墙即能承受竖向荷载也能抵抗侧向力，由于受到楼板跨度的限制，剪力墙结构平面布置不灵活、空间局限，但由于采用现浇钢筋混凝土，整体性好，其自身平面内承载力和侧向刚度大，平面外的承载力和刚度小，结构设计是一般不考虑墙的平面外承载力和刚度。因此，剪力墙要双向布置，分别抵抗各自平面内的侧向力，抗震设计的剪力墙结构，应力求使两个方向的刚度接近。沿高度方向，剪力墙宜连续布置，避免刚度突变。剪力墙结构具有良好的侧向刚度和规整的平面布置，按照功能要求，设置自下而上的现浇钢筋混凝土剪力墙，对抵抗侧向风力和地震作用是十分有利的，剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系因此它允许建造的高度远远高于框架结构。目前全国各地的大量高层住宅建筑，绝大多数均采用剪力墙结构。

　　(4)简体体系

　　筒体结构是近年来发展起来的新体系，凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，它的出现满足了高层建筑更高层数的要求，包括单简体、简体一框架、筒中筒、多束筒等多种形式。简体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。无论哪一种筒体，在水平力作用下都可以看成固定于基础上的箱型悬臂构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有很好的抗扭刚度。在平面布置和满足功能要求方面也有明显的优势，为众多高层和超高层建筑结构所采用。

　　3结语

　　建筑是凝固的艺术,建筑师总是希望通过建筑物表达自己的设计意图,力求艺术性和实用性的完美结合。结构师在保证安全性的前提下,当然应该敢于挑战新的结构形式,使建筑师的意图得以实现。在今后的工作中,建筑结构设计人员需要重新认识自己工作的重要性,明确自己的责任,提高对结构设计质量安全问题的辨别能力,积累结构设计的工作经验,使建筑物的设计更安全、更合理。

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文章名称： 浅谈高层建筑结构设计特点与体系

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