論高層建筑結構設計特點及體系

劉繼光

身份證號碼：320621198102046911 江蘇中城設計研究院有限公司 江蘇鹽城東臺市 224200

摘要：當前我國大部分高層建筑工程的結構設計均為鋼筋混凝土剪力墻體系、剪力墻—筒體結構體系，此外較常用的還有框架結構體系、筒體體系等。本文就高層建筑結構設計的特點進行簡要的分析、探討，并對國內高層建筑的四大結構體系：框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構和筒體結構進行簡要闡述。

關鍵詞：高層建筑；結構特點；結構體系

改革開放以來，我國建筑業有了突飛猛進的發展。近年來我國建筑面積已達到2億平方米，建成高層建筑萬棟。隨著城市化進程的加速發展，全國各地的高層建筑不斷涌現。作為土建工作設計人員，只有充分了解了高層建筑結構設計的特點及其結構體系，才能使設計達到技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量的基本原則。

一、高層建筑結構設計特點

1.1 水平荷載成為決定因素

在低層和多層建筑結構中，大部分是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計。而對于高層建筑來講，盡管豎向荷載仍對結構設計有著重要的影響，但水平荷載卻起決定性作用。主要是由于一方面來講，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對某一定高度樓房來說，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，其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

1.2 軸向變形不容忽視

采用框架體系和框架—剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸壓應力往往大于邊柱的軸壓應力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，此種軸向變形的差異將會達到較大的數值，其后果相當于連續梁中間支座沉陷，從而使連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整；另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

1.3 側移成為控制指標

與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，與建筑高度 H的 4 次方成正比（△= qH4/8EI）。另外，高層建筑隨著高度的增加、輕質高強材料的應用、新的建筑形式和結構體系的出現、側向位移的迅速增大，在設計中不僅要求結構具有足夠的強度，還要求具有足夠的抗推剛度。因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。否則會產生以下情況：1.因側移產生較大的附加內力，尤其是豎向件，當側向位移增大時，偏心加劇，當產生的附內力值超過一定數值時，將會導致房屋側塌。2.使居住人員感到不適或驚慌。3.使填充墻或建筑裝飾開裂或損壞，使機電備管道損壞，使電梯軌道變型造成不能正常運行4.使主體結構構件出現大裂縫，甚至損壞。

1.4 結構延性是重要設計指標

相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有

1.5抗震設計要求更高

有抗震設防的高層建筑結構設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結構具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

1.6減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要

高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意昧著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層數，這在軟弱土層有突出的經濟效益。地震效應與建筑的重量成正比，減輕房屋自重大了，不僅作用于結構上的地震剪力大，還由于重心高地震作用傾覆力矩大，對豎向構件產生很大的附加軸力，從而造成附加彎矩更大。

二、高層建筑的結構設計體系

2.1剪力墻結構體系

高層建筑的剪力墻體系，其主要是指全部采用了平面剪力墻構件的主體受力結構。在此種高層建筑結構設計體系中，所有的水平作用力、垂直荷載均施加在單片剪力墻之上，該結構設計體系主要采用的是剛性結構，從而有著較高的剛度、強度，其位移曲線呈彎曲形態。高層建筑采用剪力墻體系的優點在于，延展性較強，傳力均勻且性能較強，有著良好的整體性適用高度超出框架、框架——剪力墻體系，是一種性能良好、狀態穩定的結構體系。

2.2框架結構體系

高層建筑結構的設計，倘若采用框架結構體系，其主要是利用柱體、梁架、基礎共同組成一個平面框架，同時將其作為建筑的主要承重結構，最后通過梁的連結，使各個平面框架組合形成一個整體的空間結構體系。此種結構體系的優點在于：可靈活布置建筑的內部平面，可從中設置空間容積較大的餐廳、會議室、教室等；必要時，可通過隔斷的安設與拆除，將建筑的平面布局為大空間或分割成小居室，靈活調整以滿足使用需求；建筑的外墻通常會選擇使用非承重構件，從而能夠自由調整建筑的立面設計。值得注意的是，此種結構的剛度較小、抗測力能力較差，在地震所產生的荷載與水平荷載的作用力下，將發生大幅度位移、破損，對于超出十五層高度的建筑不宜采納，相反則可實現建筑結構經濟性、安全性的平衡。

2.3框架—剪力墻體系

對于選擇框架結構體系的高層建筑，倘若其剛度、強度無法滿足安全標準及有關要求時，通常需要利用質量較大的剪力墻，來替換建筑平面部分位置的框架結構，使剪力墻與框架形成一個整體，即框架—剪力墻結構體系。在水平荷載的作用下，充分利用了剛度較強的連梁、樓板，使剪力墻結構體系部分與原有框架結構體系形成一個整體，協同承受水平力。高層建筑采用框架—剪力墻結構體系，水平剪力主要由剪力墻的部分結構來承受，而垂直荷載則由原有框架結構承擔，其位移曲線呈彎剪形態。此種結構體系的優點在于：通過剪力墻的增設，提高了建筑結構體系的側向剛度，大幅縮減了建筑的位移數值，同時也有效降低了原有框架結構所負擔的水平剪力并豎向均勻地分散了內力。由此可以看出，此種結構體系的總體性能優于框架體系。

三、結束語

我國的高層建筑逐漸隨著經濟的高速發展而越來越多，這就對高層建筑的施工質量要求也提出了相當高的標準。高層建筑有一個好的基礎是整個高層建筑工程質量的關鍵支撐。然而在高層建筑的基礎建設中，一些看似對整個工程質量沒有什么影響的違規操作，卻可以給整個建筑的施工質量埋下巨大的安全隱患，所以，在高層建筑的施工工程中，一定要嚴格的按照規定的施工標準來進行，不要有違規操作，確實保障高層建筑的安全可靠性。

參考文獻：

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