【结构设计】高层建筑结构计算技巧分享

第11章高层建筑结构计算机分析方法和设计程序小结（1）高层建筑结构是复杂的空间结构，比较合理的分析方法是采用三维空间结构计算模型，楼板按弹性考虑。

但这样会增加计算工作量和设计费用，所以一般情况下可采用楼板在自身平面内为无限刚性的假定；如结构平面和立面简单、规则，可采用协同工作方法计算。

（2）目前，高层建筑结构按三维空间结构计算，主要有两种计算模型：空间杆-薄壁杆件模型、空间杆-墙元模型。

相对而言，空间杆-墙元模型比空间杆-薄壁杆件模型更符合实际结构，计算结果也更精确一些，建模时对各种剪力墙更容易处理一些，但计算速度较慢、计算机硬盘和内存空间要求较大。

（3）对于复杂高层建筑结构，应至少采用两个不同力学模型的三维空间结构分析软件进行整体内力和位移计算，以保证分析结果符合实际情况。

（4）对程序计算结果应进行分析和判别，不能盲目地使用程序计算结果。

思考题（1）什么是结构静力分析和动力分析？通常在恒荷载、楼面活荷载、风荷载、地震作用下的内力和位移分析是静力还是动力分析？（2）高层建筑结构可采用下列计算模型：平面协同计算；空间协同计算；空间计算，楼板为刚性；空间计算，楼板为弹性。

试分析这几种计算模型的差异及各自的适用范围。

（3）在将空间结构简化为平面结构时，各榀平面结构“竖向位移不协调”是什么意思？为什么空间结构计算模型不存在这个问题？在什么情况下可将空间结构简化为平面结构计算？（4）构件的轴向、弯曲和剪切变形对结构的内力分布、侧向位移有何影响？如果忽略柱或剪力墙的轴向变形和剪切变形，结构侧向位移计算值比实际值偏大还是偏小？（5）假定楼板在自身平面内的刚度为无限刚性，对楼板平面内杆件的内力和变形有哪些影响？（6）在用有限元法对高层建筑结构进行分析时，剪力墙可处理为带刚域杆件、空间薄壁杆件、墙板单元、墙元等模型。

试分析这几种计算模型各自的适用范围。

（7）试分析空间杆-薄壁杆件模型与空间杆-墙元模型各自的特点及适用范围。

超限高层结构设计优化要点汇总（干货！）随着经济的发展,我国的高层建筑越来越多,越来越高,各大城市的地标建筑也多以超高层建筑为主.然而,超限高层建筑的专项审查工作往往占据了设计阶段的大量时间,且其直接奠定了后期的结构造价.在此分享关于超限高层项目的优化要点.超限高层建筑工程是指超出国家规范、规定所规定的适用高度和适用结构类型的高层建筑工程,体型特别不规则的高层建筑工程,以及有关规范、规程规定应当进行抗震专项审查的高层建筑工程.具体判别标准详见《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》建质【2015】67号.需要注意的是,对于一些处于超限与否边界附近的建筑工程最好提前与审图机构,审查专家提前沟通好是否需要进行超限审查,以免造成时间上的延误.（1）结构体系结构体系的选取需经过严格比选.常见的各种结构体系优缺点如下表所示：结构体系优点缺点混凝土框架+核心筒造价经济、施工方便自重大、截面大、浪费空间型钢混凝土框架+核心筒结构抗震性能优良造价高钢管混凝土柱+核心筒延性延性好；柱截面较小造价高于型钢混凝土最终采用何种体系可综合考虑时间成本、施工成本、经济效益等方面.（2）风速剖面与风振分析《高规》4．2.7条规定：房屋高度大于200m或有下列情况之一时,宜进行风洞试验判断确定建筑物的风荷载：I.平面形状或立面形状复杂；II.立面开洞或连体建筑III.周围地形和环境较复杂.超限高层建筑分为高度超限和不规则性超限,所以往往需要进行风洞试验.由于风具有明显的地域性,且其强度和方向具有显著的方向性,利用这些特点可以有效降低结构和幕墙的造价.对于高度超过300~400m的超高层建筑,风沿高度方向变化的特性对结构设计影响很大,因此针对具体工程确定适用的最优风速剖面,而不仅依赖于《荷载规范》提供的指数变化曲线,能够有效降低风力作用,取得显著的经济效益.（3）设计地震动参数依据《防震减灾法》：“地震安全性评价单位应当对地震安全性评价报告的质量负责”.一般来说,安评报告提供的结构设计地震动参数往往偏大,将导致结构成本明显增加.通常小震应全部采用安评参数或全部用规范参数,对二者的基底剪力加以比较,按不利情况采用.中、大震计算一般采用规范参数.从而在保证结构安全的同时节约结构造价.此外,采用规范参数时需注意在不同类别场地分界附近的设计特征周期内插,如下图所示.之前笔者参与的北京某超限高层办公项目,8度区Ⅲ类场地,设计地震分组第一组,小震规范谱特征周期Tg=0.45s.因工程场地等效剪切波速接近分界线值,经内插特征周期减小为0.42s,地震作用约降低8%.（4）长周期结构的剪重比在2010版超限审查要求中对剪重比的规定比较严格,在2015版进行了放松,其规定如下：“结构总地震剪力以及各层的地震剪力与其以上各层总重力荷载代表值的比值,应符合抗震规范的要求,Ⅲ、Ⅳ类场地时尚宜适当增加.当结构底部计算的总地震剪力偏小需调整时,其以上各层的剪力、位移也均应适当调整.基本周期大于6s的结构,计算的底部剪力系数比规定值低20%以内,基本周期3.5～5s的结构比规定值低15%以内,即可采用规范关于剪力系数最小值的规定进行设计.基本周期在5～6s 的结构可以插值采用.6度（0.05g）设防且基本周期大于5s的结构,当计算的底部剪力系数比规定值低但按底部剪力系数0.8%换算的层间位移满足规范要求时,即可采用规范关于剪力系数最小值的规定进行抗震承载力验算.”此时,通常来讲可以满足要求.如果还是不能达到最小地震剪力要求,可以通过修改反应谱曲线的方法来使结构达到一定的设计剪重比,或通过位移值来控制结构变形.（5）周期折减系数《高规》4.3.17条对周期折减系数做了具体规定,但对于超高层建筑,若拘泥于规范给定的数值范围很可能造成巨大的浪费.一定要根据工程实际情况,隔墙的布置数量、隔墙材料等综合取值.例如,还是前述笔者说的北京某超限办公项目,框架-核心筒结构,规范给定的数值是0.7~0.8,但考虑到该工程隔墙较少,将周期折减系数取为0.90~0.95,地震作用约降低15%！（6）设计材料的选取I.混凝土高强混凝土：目前国内规范的混凝土最高强度等级为Ｃ8０,实际可生产的最高等级为C150,因此在设计上对于超高层建筑优先考虑高强度混凝土,既能节省材料,又能节省空间.II.钢材高层建筑结构用钢板：与普通结构用钢相比,各项指标均能满足要求,同时具有良好的机械性能与焊接性.在实际工程中可根据构件的重要性和具体部位选取合适钢材,以求达到最优的经济效果.（7）施工模拟可通过调整施工顺序人为控制结构的内力生成,将高内力消除,改善结构合理性,降低用钢量.（8）性能目标的合理设置性能目标的设置能够使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡,并由业主选择性能目标；对结构的抗震性能睡着进行深入的分析,并通过专家的评估论证.但是在实际的操作过程中往往发现好多工程的性能目标设置过于严格,类似于“有钱就是任性”,但实际上并不合适,只是白白带来了浪费.上述的无论采取何种措施或方法,最好都要事先向审查专家进行沟通交流,以避免在最终的审查中出现通不过或二次审查的情况.。

高层建筑结构的荷载计算高层建筑结构的竖向荷载包括自重等恒载及使用荷载等活载，其计算方法与一般建筑结构类似，在此不再重复。

本章主要介绍在高层建筑结构设计中起主导作用的水平荷载—风荷载和地震荷载作用的计算方法。

第一节 风荷载空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的压力或吸力即建筑物的风荷载。

风荷载的大小主要和近地风的性质、风速、风向有关；和该建筑物所在地的地貌及周围环境有关；同时和建筑物本身的高度、形状以及表面状况有关。

垂直于建筑物表面上的风荷载标准值可按下式计算：0ωµµβωz s z k =式中：k ω为风荷载标准值（kN/m 2）；z β为z 高度处的风振系数；s µ为风荷载体型系数；z µ为风压高度变化系数； 0ω为基本风压（kN/m 2）。

1. 基本风压0ω我国《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），《全国基本风压分布图》中给出的基本风压值0ω，是用各地区空旷地面上离地10m 高、重现期为30年的10min 平均最大风速0υ（m/s ）计算得到的，基本风压值1600/200υω=（kN/m 2）。

荷载规范给出的0ω值适用于多层建筑；对于一般高层建筑和特别重要的或有特殊要求的高层建筑可按《全国基本风压分布图》中的数值分别乘以1.1和1.2采用。

2. 风压高度变化系数z µ表1 风压高度变化系数风速大小与高度有关，一般近地面处的风速较小，愈向上风速逐渐加大，但风速的变化与地貌及周围环境有关。

在近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，地面空旷，空气流动几乎无阻挡物（A 类粗糙度），风速随高度的增加最快；在中小城镇和大城市的郊区（B 类粗糙度），风速随高度的增加减慢；在有密集建筑物的大城市市区（C 类粗糙度），和有密集建筑群，且房屋较高的城市市区（D 类粗糙度），风的流动受到阻挡，风速减小，因此风速随高度增加更缓慢一些。

表1列出了各种情况下的风压高度变化系数。

对高层建筑结构设计计算方法的探讨摘要：本文通过对高层建筑结构设计中的一些问题进行探讨，结合实践经验提出具体建议。

关键词：高层建筑；结构设计；计算方法；计算结果随着人们对建筑功能要求的多样化,建筑类型和功能愈来愈复杂,结构体系日趋多样化,出现了各种形式的多塔、错层、带转换层、楼板局部开大洞的结构类型,其中立面布置也越来越复杂。

下面就本人在这几年的设计实践中的一些体会进行总结。

1 高层建筑结构设计的演变模式1.1 内核的形成高层建筑与其它建筑之间的最大区别, 就在于它有一个垂直交通和管道设备集中在一起的、在结构体系中又起着重要作用的“核”。

而这个“核”也恰恰在形态构成上举足轻重, 决定着高层建筑的空间构成模式。

随着高层建筑建设的发展、高度的增加和技术的进步, 在高层建筑的设计过程中, 逐渐演化出了中央核心筒式的“内核”空间构成模式, 这是各专业共同探索优化设计的结果。

在建筑处理上, 为了争取尽量宽敞的使用空间, 希望将电梯、楼梯、设备用房及卫生间、茶炉间等服务用房向平面的中央集中, 使功能空间占据最佳的采光位置, 力求视线良好、交通便捷。

在结构方面, 随着筒体结构概念的出现、高度的增加, 也希望能有一个刚度更强的筒来承受剪力和抗扭, 而这些恰好与建筑师的要求不谋而合。

在建筑的中央部分, 有意识地利用那些功能较为固定的服务用房的围护结构,形成中央核心筒, 而筒体处于几何位置中心, 还可以使建筑的质量重心、刚度中心和型体核心三心重合, 更加有利于结构受力和抗震。

这种“内核”空间构成模式, 经过长期的实践检验, 以其结构合理、使用方便和造价相对低廉的优势, 很快便成为高层建筑中最为流行的空间布局形式。

1.2 核的分散与分离然而, 随着时代的发展、技术的进步, 人们对建筑需求的变化和设计侧重点的不同, 以中央核心筒为主流的高层建筑“内核”空间构成模式开始受到了挑战。

对于结构专业来说, 加强建筑周边的刚度也会有效地抵抗地震对高层建筑的破坏, 所以如果将垂直交通和设备用房等分散地布置在周边, 则无疑也会对结构抗震有利。

结构设计知识：高层建筑结构的设计原理与方法高层建筑是当今城市化进程中不可或缺的标志性建筑，其高度和垂直性质带来了很多结构和设计上的挑战。

如何在确保建筑安全的前提下，尽可能地提高建筑高度，成为了高层建筑设计所面临的最主要的问题。

高层建筑结构设计原理高层建筑结构设计的原理主要包括以下三个方面：1.承重系统设计高层建筑的承重系统设计，要考虑到楼房的受载、刚度、位移和稳定性等多个方面，以此建立起稳定的受力系统，保证建筑的安全性和稳定性。

高层建筑承重系统一般采用多点支座设计，即楼柱通过多点支座固定在楼板上，使其能够抵抗水平和垂直的荷载，保证结构的稳定性。

2.材料的选用高层建筑的承重系统使用混凝土、钢筋混凝土和钢结构为主要的结构材料，其中混凝土的使用广泛，因其具有一定的塑性且易于形成连续结构，保证结构的稳定。

再加上钢筋混凝土的强度和刚度优势，和钢结构的高强度和适用于大跨度的特点，辅以适当的悬臂结构体系,使得高层建筑的设计既满足了建筑的高度需求，也能够保证其整体的稳定性和安全性。

3.结构系统维护在高层建筑结构系统的设计中，不仅要考虑到建筑的实际使用环境和负荷条件，同时也要考虑到未来结构评估和维护的方便性。

因此，在结构设计过程中，需要优先考虑结构的可维护性、可监测性和可预测性，使得高层建筑能够维持长期稳定，保障人民群众的生命财产安全。

高层建筑结构设计方法高层建筑结构设计方法常见的有三种：1.建筑整体结构设计方法高层建筑的整体结构设计方法是利用各种不同的材料和受力构件的特性，将其组合成一个整体结构，达到合理分配荷载的目的。

这种方法的优势在于，整体结构能够保持更高的稳定性，大大提高了建筑的整体安全性和可持续性。

2.悬吊结构设计方法悬吊结构是指通过悬挂钢索、钢丝绳等材料来支撑建筑结构，其主要特点是由几个单元重叠在一起，形成大型建筑结构。

悬吊结构既可以增加建筑的高度，降低建筑结构的重量，又可以提供富有美感的外观效果，逐渐成为高层建筑结构的重要设计方法之一。

高层建筑结构设计难点分析高层建筑作为城市的地标和象征，其结构设计一直是建筑领域的一个重要课题。

随着城市化进程的不断加快，高层建筑的数量和高度也在不断增加，因此高层建筑结构设计的难点也逐渐凸显出来。

本文将对高层建筑结构设计的难点进行分析，并探讨如何克服这些难点。

一、受力分析复杂高层建筑由于其高度较大，受力分析通常会比较复杂。

在高层建筑的结构设计中，受力分析是基础和关键，只有深入研究高层建筑所承受的荷载和受力状况，才能有效地解决高层建筑结构设计中的难题。

在受力分析方面，高层建筑在不同楼层和不同构件上所受的荷载和力的分布都会有所不同，需要对整个建筑结构进行全方位的受力分析，确保每一个构件都能满足受力要求。

高层建筑的结构设计还需要考虑各种不同作用下的受力情况，包括静载荷、动载荷、风荷载等，这些都增加了受力分析的复杂性。

针对受力分析复杂的难点，结构设计师需要运用先进的受力分析方法和工具，如有限元分析、结构动力学分析等，对高层建筑的受力状况进行准确的模拟和计算，为结构设计提供科学的依据。

二、抗震设计要求高高层建筑所处的地理位置和环境不同，其抗震设计要求也会有所不同。

一般来说，地震是高层建筑面临的最大威胁之一，因此抗震设计是高层建筑结构设计中的一个重要难点。

高层建筑的抗震设计要求通常比较严格，需要考虑地震波的作用、建筑结构的受力状态、结构的位移要求等多个方面。

抗震设计需要考虑建筑结构在地震作用下的变形和破坏情况，要求建筑结构在地震发生时能够安全稳定地承受地震力的作用，减小地震对建筑结构的影响。

对于高层建筑抗震设计的难点，结构设计师需要根据建筑所处地区的地震烈度和其他地质条件，结合抗震设计规范，进行合理的抗震设计方案设计和结构计算。

还需要采用高性能材料和先进技术，提高建筑结构的抗震能力，确保建筑在地震发生时能够安全稳定地运行。

三、构造系统选择和优化高层建筑的构造系统选择和优化也是结构设计的难点之一。

构造系统的选择直接影响到建筑的结构性能和经济性，因此需要根据建筑的形式、功能和受力特点，合理选择和优化构造系统。

高层建筑结构设计中计算方法汇报人：日期:•引言•结构分析方法•结构优化设计方法目录•抗震设计方法•结论与展望01引言0102目的和背景在进行结构设计时，需要采用合适的计算方法来分析结构在不同荷载条件下的响应和稳定性，以及评估结构的性能和安全性。

高层建筑结构设计的主要目的是确保建筑物的结构安全性和稳定性，以满足人们的使用需求和规范要求。

计算方法的重要性计算方法是高层建筑结构设计中的关键要素之一，对于结构的分析和设计具有重要意义。

通过采用科学合理的计算方法，可以准确地分析结构的性能和安全性，为结构设计提供重要的依据和支持。

02结构分析方法有限元法总结词一种广泛应用的数值分析方法，用于求解各种工程问题。

详细描述有限元法将连续的求解域离散化为由有限个单元组成的集合，通过在各个单元内假设近似函数来描述求解域上待求的未知场函数。

该方法具有适应性强、应用面广、精度高等特点，可以用于求解各种复杂的问题，如高层建筑结构分析等。

有限差分法总结词一种离散化的数值分析方法，用于求解偏微分方程。

详细描述有限差分法将偏微分方程转化为差分方程，通过求解差分方程得到原方程的近似解。

该方法在处理偏微分方程时具有简单、直观、易于编程实现等优点，因此在高层建筑结构分析中得到了广泛应用。

一种仅考虑边界信息的数值分析方法，用于求解各种工程问题。

总结词边界元法将偏微分方程转化为边界积分方程，通过在边界上离散化积分方程得到原方程的近似解。

该方法具有精度高、计算量小等优点，因此在高层建筑结构分析中得到了广泛应用。

详细描述边界元法03结构优化设计方法优化目标基于可靠度的优化设计以结构可靠度为优化目标，通过调整结构的设计参数，使结构在满足预定功能的前提下，具有更高的可靠度。

可靠度指标在结构优化设计中，可靠度指标是评估结构性能的重要参数。

通过考虑结构在不同荷载和环境条件下的失效概率，可以确定结构的可靠度。

设计变量设计变量可以是结构的设计参数，如截面尺寸、材料强度等。