淺析現代化高層建筑結構設計

植萬鎰

【摘要】高層建筑設計時很多設計師不夠重視設計前期的概念設計，導致結構體系選擇不合理，從而造成具體施工圖設計時工程造價的極大浪費。因此合理的結構分析及結構選型具有非常重要的意義。

【關鍵詞】高層建筑結構；結構體系；結構分析

中圖分類號：TU208文獻標識碼： A

隨著我國國民經濟的快速發展，工程建設處于飛速發展階段，建筑的體型越來越復雜，建筑的高度也逐漸增加。隨著建筑高度的不斷增加，建筑結構體系已經成為設計的控制因素，其主要原因有兩個：第一，垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒承擔；第二，側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形也比低層大的多。設計高層建筑時，不僅要考慮在水平荷載和豎向荷載組合下的強度、剛度、穩定性，還必須考慮由風荷載（或地震水平作用）產生的側向位移。因此，高層建筑設計時首先應進行合理的結構分析和結構體系的選擇。

一、高層建筑的結構類型及特點

1、高層建筑的結構類型

在高層建筑的設計中，通常采用鋼和鋼筋混凝土兩種材料。鋼筋混凝土結構造價低，材料來源豐富，可澆注成各種復雜斷面形狀，可組成多種結構體系，可節省鋼材，承載能力也不低(特別是近年來高強混凝土和超高強混凝土的研制應用，大大提高了混凝土承載力)，經過合理設計，可獲得較好的抗震性能。因此在發展中國家包括我國，大都采用鋼筋混凝土建高層建筑。但它主要缺點是構件斷面大，占據面積大，自重大。而鋼材強度高，韌性大，易于加工；高層鋼結構具有結構斷面小，自重輕，抗震性能好，施工工期短，施工方便等特點。但是高層鋼結構用鋼量大，造價很高，而且耐火性能不好，需要用大量防火涂料。在發達國家，大多數高層建筑采用鋼結構。在我國，隨著建筑物高度的增加，也有采用鋼結構的高層建筑。由于鋼筋混凝土和鋼結構均各有所長，又各有所短，所以更為合理的結構是同時采用鋼和鋼筋混凝土材料的組合結構，這種結構可以使兩種材料互相取長補短，取得經濟合理、技術性能優良的效果。

2、高層建筑的結構特點

與低層、多層建筑結構設計相比較，高層建筑結構設計在各專業中占有更重要的位置，不同結構體系的選擇，直接關系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機電管道的設置、施工技術的要求、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有：

（1）水平荷載是設計的主要因素 在低層和多層房屋結構中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結構設計產生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化。

（2）側移成為控制指標 與低層或多層建筑不同，結構側移已成為高層結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大。過大的側移會使人感覺不舒服，從而影響使用，還會造成非結構構件和結構構件的損壞。因此在設計中不僅要求結構具有足夠的強度，還必須具有足夠的抗側剛度，使結構在水平荷載下產生的側移被控制在一定的限值范圍之內。

（3）抗震設計要求更高 抗震設防的高層建筑，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

二、高層建筑結構分析與設計

一個建筑不僅要同時承受豎向荷載和風力產生的水平荷載，還要抵抗地震作用所產生的荷載。在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結構設計產生著重要影響，但水平荷載卻起著決定性的作用。與豎向荷載相比，水平荷載對建筑物的效應不是線性增加的，而是隨著建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有條件相同時，在風荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應也更加明顯。因此，隨著樓層的增加，水平荷載作用下高層結構的側向變形也迅速增大。設計高層結構時，不僅要求結構具有足夠的強度，能夠可靠地承受荷載作用產生的內力；還要求具有足夠的抗側剛度，使結構在水平荷載下產生的側移被控制在某一限度之內，確保建筑達到良好的使用和安全要求。與低層建筑結構相比，高層建筑結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了確保高層建筑在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，設計人員還應在設計時采取恰當的構造措施，來保證高層建筑具有足夠的延性。

三、高層建筑結構選型

在傳統的結構設計中，人們往往將注意力集中于施工力學分析及結構的具體設計，而忽視設計階段之前的分析和選型。根據高層建筑結構的受力特點，初始階段的概念設計顯得尤為重要，該階段設計的優缺點直接影響建筑工程整體的經濟性。

高層建筑結構體系選定的基本原則主要有以下幾點：（1）具備多道抗震設防不會因部分結構或構件失效，而導致整個體系喪失抗側力或承受重力荷載的能力；（2）具有必要的承載力、良好的延性和較多的耗能潛力，從而使結構體系遭遇地震時具有足夠的防倒塌能力；（3）具有明確的計算簡圖和合理的地震力傳遞路線；（４）沿水平和豎向結構的剛度和強度分布均勻，或按需要合理分布，避免出現局部削弱或突變，形成薄弱環節，從而防止地震時出現過大的應力集中或塑性變形集中的危險。

高層建筑施工工藝的不同選擇，不僅會影響到材料消耗、勞動力、工期及造價等技術經濟指標，也會影響到建筑結構的受力狀態，抗震性能等。因此，在高層建筑結構體系選型時還應對施工工藝及其它因素加以權衡，綜合考慮。在確保高層建筑方案的同時，應綜合考慮房屋的重要性、設防烈度、場地類別、房屋高度、地基基礎，以及材料供應和施工條件，并結合結構體系的經濟、技術指標，選擇最合適的結構體系。

四、結語

建筑結構設計是一項集結構分析、數學優化方法以及計算機技術于一體的綜合性技術工作，是一項對國家建設具有重大意義的工作，同時也是一門實用性很強的工作。針對目前設計人員按照傳統設計方法造成大量浪費的現狀，推行能實現資源合理分配利用、節約建筑造價的結構優化設計的方法是勢在必行，也是刻不容緩的。因此，概念設計和結構選型就毋庸質疑地被放在了一個極其重要的地位之上。概念設計是展現先進設計思想的關鍵，一個當代結構工程師的首要任務就是要在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結構總體方案的設計，并合理地處理構件與結構、結構與結構的關系。

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