高层建筑结构设计的特点及结构体系分析

高层建筑结构设计的特点及结构体系分析

发表时间：2018-09-12T16:10:26.113Z 来源：《基层建设》2018年第22期作者：乐明星[导读] 摘要：随着社会经济的迅速发展，人民物质生活水平的不断提高，居住条件的不断改善，高层住宅如雨后春笋一座座拔地而起。

苏州苏大建筑规划设计有限责任公司合肥分公司安徽省合肥市 230000摘要：随着社会经济的迅速发展，人民物质生活水平的不断提高，居住条件的不断改善，高层住宅如雨后春笋一座座拔地而起。一个优秀的建筑结构设计往往是安全、经济、适用、美观、便于施工的最佳结合。

关键词：高层建筑；结构设计；特点；结构分析 1 高层建筑结构设计的主要特点 1.1水平力

相对于低层和多层以重力为代表的控制竖向荷载的设计结构，高层建筑结构设计的重点是对于水平荷载的的控制，当然，竖向荷载对高层建筑结构的设计也有重要影响。由于建筑本身荷载和楼板上的荷载对于竖向构件引起的轴力和弯矩的数值，与建筑物的高度成正比；而水平荷载对于结构所产生的倾覆力矩、由此在竖向构件中产生的轴力，其数值都与建筑高度的两次方成正比。其他方面，对建筑高度在一定范围之内，其竖向荷载基本上是定值，而由风荷载和地震产生的水平荷载，会随着结构的动力的变化而有较大的变化。

1.2侧移

侧移并不是低层或多层建筑设计的主要因素，但在高层建筑结构设计中，结构侧移是一个至关重要的因素。随着建筑高度的越来越高，由水平荷载造成的结构侧向变形也会迅速增大，其数值与建筑物高度的4次方成正比。除此之外，随着建筑高度的越来越高、质轻，高强，优质的材料的应用、新型的建筑形式和结构体系的涌现使侧向位移不断的增大，在设计中既要使结构拥有足够的强度，更要求结构有足够的抗推刚度，尽可能减少由水平荷载引起的侧移。

1.3较高的抗震设计要求

对于高层结构设计都应该包括较高的抗震设计，在全面考虑竖向荷载、风荷载使建筑物能正常使用的前提下，必须做好防震，抗震的工作，使高层建筑有良好的抗震性能，使建筑物小震不坏、大震不倒。

1.4减小高层建筑的自重

高层建筑自身结构重量的减轻相对于多层建筑更具有现实意义。①结构的抗震效应与结构的质量成反比，所以，减轻建筑物白重可以有效的增加结构的抗震效应，从而提高结构的抗震性能。②对于地基或桩基的承载力方面考虑，在地基和桩基条件一定的前提下，减轻建筑的自重，可以增加建筑层数，从而减小由于地基或桩基带来的基础造价和处理措施费用。

1.5轴向变形

对于采用框架体系和框架剪力墙混合体系的高层建筑，其框架结构里中柱所承受的压应力大于边柱所承受的压应力，使中柱的轴向压缩变形相对于边柱的轴向压缩变形更大。随着高度的增加，此种轴向变形的差值也会随着增大，当差异达到一定程度时，会导致与连续梁中间支座沉陷相同的后果，进而减小连续梁中间支座的负弯矩值，使跨中的正弯矩值和端支座负弯矩值相应增大，最终影响建筑物的正常使用。

1.6概念设计与理论计算

计算设计和概念设计组成了抗震设计的最主要组成部分。对于高层建筑结构的抗震设计，其计算是在理论与假想的基础上的，我们可以用最合理的分析手段，最完善的分析原则，但相对于地震的复杂性和不可预知性来说，是远远不够的。地基土与结构的复杂性，可能使理论分析计算毫无保障，有可能理论分析计算的结构和实际情况有较大的差异，特别是在结构的弹塑性阶段之后，由于受力较大，往往会有构件局部开裂，最终导致破坏，这时的结构已不能用一般的计算原理去计算分析。实践证明，把握好高层建筑的概念设计至关重要。

2 高层建筑结构分析

2.1 高层建筑结构分析的基本假定

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件(框架、剪力墙、筒体等)通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定。

2.1.1 弹性假定

目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。

2.1.2 小变形假定

小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题(P-Δ效应)进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移△与建筑物高度H的比值△/H>1/500时，P-Δ效应的影响就不能忽视了。

2.1.3 刚性楼板假定

刚性楼板假定分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法,并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。刚性楼板假定减小了计算强度，提高了计算效率，因此在复杂高层结构初步设计阶段试算结构竖向构件布置、确定计算指标是否满足规范限值时，刚性楼板假定分析会有事半功倍的效果。在施工图阶段则应按规范要求，计算结构指标时采用刚性楼板假定，其他均采用非刚性楼板假定。

2.1.4 计算图形的假定

高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形主要是三维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调(竖向位移和转角的协调)，而且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的简体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉素夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度。

2.2 高层建筑结构静力分析方法 2.2.1框架一剪力墙结构

框架一剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。

2.2.2 剪力墙结构

剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。

2.2.3 筒体结构

筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类:等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析，这里主要讨论三维空间分析。

等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。类:等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析，这里主要讨论三维空间分析。

比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析简体结构体系，其中应用最广的是空间杆薄壁杆系矩阵位移法。这种方法将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构。空间梁柱每端节点有6个自由度。核心筒或剪力墙的墙肢采用符拉索夫薄壁杆件理论分析，每端节点有7个自由度，比空间杆增加一个翘曲自由度，对应的内力是双弯矩。三维空间分析精度较高，但它的未知量较多，计算量较大，在不引入其它假定时，每一楼层的总自由度数为6NC+7NW(NC、NW为柱及墙肢数目)。通常均引入刚性楼板假定，并假定同一楼面上各薄壁柱的翘曲角相等，这样每一楼层总自由度数降为3(NC+NW)+4，目前这是工程上采用最多的计算模型。

3 结语

在高层建筑结构设计中，地基是大楼的基础，设计者应根据实际情况，做出合理的结构方案选择。并能根据具体情况进行具体分析采取适当的措施解决实际问题。才能不断地完善和发展高层建筑。

参考文献：

[1]张洁.高层高层建筑结构概念设计[M].北京:中国计划出版社，2012.

[2]陈宇新.对高层建筑结构设计的若干思考[J].山西高层建筑,2010.

[3]包玉坤.浅谈现代高层建筑设计[J].经营管理者,2011.