高层建筑设计 抗侧力结构与布置

简述高层建筑结构的布置原则随着我国社会经济的快速发展，建筑行业也发生了翻天覆地的变化。

其中，大量外来人口不断朝城市涌进，在加快城市发展的同时，土地资源不足的问题也充分暴露出来。

为全面满足城市人口居住以及建设行业的需求，就需采取相应措施缓解土地资源的压力。

在此种形势下，高层建筑技术得到了迅猛发展，同时高层建筑也已成为城市空间中一道独特的风景。

现阶段，如何将人们对居住条件的要求以及精神层面的追求纳入高层建筑结构的设计当中，进而设计出安全实用的建筑，已成为工程建筑设计人员面临的一项重要课题。

1 高层建筑结构的布置原则1.1 有关结构平面的布置原则在高层建筑建构中，其平面形状的布置应严格遵循简单、规则、对称的原则，同时确保钢心与质心尽量重合。

如果结构的偏心比较大，那么其扭转效应也会相应变大，在促进端部构件位移增大的基础上，造成应力集中现象的发生。

对于高层建筑而言，其结构布置应尽量避免严重的不规则情况;如果建筑结构及使用功能必须要求不规则的结构平面布置，那么就需要分割成多个独立、简单且规则的结构单元。

对于一些需具备抗震性能的高层建筑，在结构布置过程中尤其要重视简单、规则、对称这三项原则[1]。

1.2 有关结构立体的布置原则均匀、规则为高层建筑结构竖向布置应遵循的基本原则，并设计成刚度自上朝下逐渐增大的结构。

如果建筑下层的刚度比较小，那么变形将会集中在结构的下部，使得下部成为薄弱层，一旦发生地震等较大的震动时，便会导致建筑物全面倒塌的严重情况。

在布置建筑结构立体过程中，通常出现收进上部楼层、减小体型的情况，需要注意的是，应限制收进的尺寸在一定的范围内。

收进部位越高，其后的平面尺寸越小，会显著增加高振型的影响;此外，如果上部的楼层出现外挑的情况，那么就会使建筑结构出现“头重脚轻”的现象，不但增加了扭转反应，同时也会增加地震带来的竖向影响。

2 高层建筑结构的设计要点分析2.1 高层建筑结构的地基及基础设计地基在高层建筑结构和整体项目的工程造价中，均占据非常重要地位，所以建筑工程人员应充分做好地基的设计工作[2]。

高层建筑结构的抗侧力体系1. 框架结构框架结构体系是由梁和柱在节点区通过刚性连接构成的结构体系（图2-2）。

构件材料一般为钢筋混凝土、型钢混凝土或结构钢。

框架结构的建筑特点是：空间布置灵活，使用方便，常用于商场、办公楼、综合楼。

框架结构的结构特点是：梁与柱节点是刚性连接，即梁与柱之间除传递剪力和轴力外，必须保证弯矩的传递。

结构计算时，该节点假定为理想刚性。

因此，节点的转动刚度与柱的抗侧刚度决定着框架结构的主要抗侧能力。

与后续介绍的几种结构体系相比，框架结构抗侧刚度小，楼层水平水平位移大，对支座不均匀沉降比较敏感。

a)b) 图2-2 框架结构体系a)框架结构平面示意图 b)框架结构立面示意图 框架节点区内力集中，是关系到结构整体安全的关键部位。

震害表明，节点破坏常导致结构整体倒塌。

因为节点破坏导致结构传递水平荷载的能力迅速下降，侧移增大，从而导致框架柱在竖向荷载下重力二阶矩（P-Δ效应）激增，楼层柱端弯矩激增，随即导致局部倒塌，同一楼层发生同方向的侧移结果导致该层结构倒塌，并可能发生连续性的整体倒塌。

因此，在框架结构中，应确保节点的强度和刚度高于梁和柱的要求。

一般情况下，纯框架结构的高层建筑总高度在50米左右，水平荷载下结构的整体变形为剪切型变形，即下部楼层的层间水平位移大于上部楼层的层间水平框架柱位移（见图2-3）。

随着楼层的高宽比（建筑物大屋面高度H与建筑物平面短边B之比）的增大，框架结构在水平风荷载作用下也表现出一定的整体弯曲变形形式。

由于框架结构抗侧刚度相对较小，因此对于填充墙或其他非结构构件，需要考虑其变形能力可适应框架结构变形的要求，以免造成在水平荷载作用下填充墙或其他非结构构件的破坏。

图2-3 框架结构在水平荷载下的变形特征2. 剪力墙结构剪力墙结构体系是指结构由纵横方向的墙体承担主要的水平和竖向荷载的结构体系。

不同的材料均可构成墙体结构，如常见的钢筋混凝土剪力墙结构。

另外型钢混凝土墙体、钢板混凝土墙体，以及配筋砌块墙体或正交胶合木（Cross-Laminated Timber，CLT）均为剪力墙结构体系。

第二章2.1钢筋混凝土房屋建筑和钢结构房屋建筑各有哪些抗侧力结构体系？钢筋混凝土房屋建筑和钢结构房屋建筑各有哪些抗侧力结构体系？每种结构体系举1~2例。

答：钢筋混凝土房屋建筑的抗侧力结构体系有：框架结构(如主体18层、局部22层的北京长城饭店)；框架剪力墙结构（如26层的上海宾馆）；剪力墙结构（包括全部落地剪力墙和部分框支剪力墙）；筒体结构[如芝加哥Dewitt-Chestnut公寓大厦（框筒），芝加哥John Hancock大厦（桁架筒），北京中国国际贸易大厦（筒中筒）]；框架核心筒结构（如广州中信大厦）；板柱-剪力墙结构。

钢结构房屋建筑的抗侧力体系有：框架结构（如北京的长富宫）；框架-支撑（抗震墙板）结构（如京广中心主楼）；筒体结构[芝加哥西尔斯大厦（束筒）]；巨型结构（如香港中银大厦）。

2.2框架结构、剪力墙结构和框架----剪力墙结构在侧向力作用下的水平位移曲线各有什么特点？答：(1)框架结构在侧向力作用下，其侧移由两部分组成：梁和柱的弯曲变形产生的侧移，侧移曲线呈剪切型，自下而上层间位移减小；柱的轴向变形产生的侧移，侧移曲线为弯曲型，自下而上层间位移增大。

第一部分是主要的，所以框架在侧向力作用下的水平位移曲线以剪切型为主。

(2)剪力墙结构在侧向力作用下，其水平位移曲线呈弯曲型，即层间位移由下至上逐渐增大。

(3)框架-剪力墙在侧向力作用下，其水平位移曲线呈弯剪型, 层间位移上下趋于均匀。

2.3框架结构和框筒结构的结构构件平面布置有什么区别?答：(1)框架结构是平面结构，主要由与水平力方向平行的框架抵抗层剪力及倾覆力矩，必须在两个正交的主轴方向设置框架，以抵抗各个方向的侧向力。

抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架。

框筒结是由密柱深梁组成的空间结构，沿四周布置的框架都参与抵抗水平力，框筒结构的四榀框架位于建筑物的周边，形成抗侧、抗扭刚度及承载力都很大的外筒。

2.5中心支撑钢框架和偏心支撑钢框架的支撑斜杆是如何布置的？偏心支撑钢框架有哪些类型？为什么偏心支撑钢框架的抗震性能比中心支撑框架好？答：中心支撑框架的支撑斜杆的轴线交汇于框架梁柱轴线的交点。

浅谈高层建筑的结构设计摘要：本文着重论述高层建筑的结构体系和高层设计中应着重注意以下问题。

关键词：高层建筑结构设计着城市化发展，在建筑面积与建设场地面积相同比值的情况下，建造高层建筑比多层建筑能够提供更多的空闲地面，将这些空闲地面用作绿化和休息场地，有利于美化环境，并带来更充足的日照、采光和通风效果。

例如在新加坡的新建居住区中，由于建造了高层建筑群，留下了更多地面空间，可以更好地建设城市绿化和人们休闲活动空间。

高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性。

本文对高层建筑结构设计中的几个问题进行探讨。

一、高层建筑的结构体系1.框架-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部分框架,便形成了框架-剪力墙体系。

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。

在体系中框架体系主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平剪力。

框架-剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。

剪力墙的设置,增大了结构的侧向刚度,使建筑物的水平位移减小,同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀,所以框架-剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

2.剪力墙体系。

当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时,即形成剪力墙体系。

在剪力墙体系中,单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。

剪力墙体系属刚性结构,其位移曲线呈弯曲型。

剪力墙体系的强度和刚度都比较高,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,能建高度大于框架或框架-剪力墙体系。

3.筒体体系。

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系。

筒体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类型。

筒体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震能力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

二、高层建筑结构的相关问题分析：高层建筑的结构体系也是越来越多样化，高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。

简述高层建筑结构布置的一般原则高层建筑结构布置的一般原则包括以下几个方面。

首先，高层建筑的结构布置应考虑建筑的整体稳定性和安全性。

高层建筑结构的承载力需满足建筑自身负荷和外部荷载的要求，确保建筑物的稳定性和抗震性。

这包括考虑建筑物的重力荷载、风荷载、地震荷载等，通过合理的结构设计和布置，确保建筑能够承担这些荷载。

其次，高层建筑的结构布置应考虑建筑的空间利用效率。

高层建筑往往需要提供大量的使用空间，因此结构布置需要合理利用空间，最大限度地提供可用面积，并确保使用空间的灵活性和功能性。

在布置结构时，可以考虑采用合理的楼板跨度、柱网格和跨径等，以提高空间利用效率。

同时，高层建筑的结构布置应考虑建筑的施工和维护便利性。

高层建筑的施工过程复杂，因此结构布置应尽量减少施工难度，降低施工成本。

此外，结构布置还应便于建筑物的维护和修复，方便检修设备、更换材料等。

此外，高层建筑的结构布置还应考虑建筑的节能性和环境可持续性。

高层建筑的能耗较大，因此结构布置应考虑建筑物的节能需求，采用合理的隔热材料、节能设备等措施，提高建筑物的能效性能。

此外，结构布置还应注重环境保护，减少对土地和资源的消耗，遵循可持续发展的原则。

最后，高层建筑的结构布置应注重美观性和人性化。

作为城市的标志性建筑，高层建筑的外观设计和结构布置应考虑建筑的美观性，并与周边环境和谐协调。

此外，结构布置还应考虑建筑对居民的舒适性和便利性，如通风、采光、景观设计等，提供良好的使用体验。

综上所述，高层建筑结构布置的一般原则包括稳定性和安全性、空间利用效率、施工和维护便利性、节能性和环境可持续性、美观性和人性化等方面，以实现高层建筑的功能需求和可持续发展的目标。