高层建筑结构分析与设计

试论高层建筑结构分析与设计

摘要：结合施工实践, 通过大量工程经验的日积月累, 精心设计才能够作出技术先进、安全可靠、经济合理的各种高层建筑的结构设计。本文阐述了高层建筑结构体系类型，探讨了高层建筑结构设计。

关键词：高层；建筑结构；类型；设计

中图分类号：[tu208.3] 文献标识码：a 文章编号：

高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的, 是城市和工商业发展的结果。

一、高层建筑结构体系类型

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，由框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平荷载。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、巨型结构: 巨型结构一般由两级结构组成，第一级结构超越楼层划分，形成跨若干楼层的巨梁、巨柱或巨型衍架杆件，以这巨型结构来承受水平力和竖向荷载，楼面作为第二级结构，只承受竖

向荷载并将荷载所产生的内力传递到第一级结构上。常见的巨型结构有巨型框架结构和巨型桁架结构，不同的结构体系所具有的强度和刚度是不一样的，因而它们适合应用的高度也不同。一般说来，框架结构适用于高度低，层数少，设防烈度低的情况; 框架—剪力墙结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求; 在层数很多或设防烈度要求很高时，可用筒体结构。

3、剪力墙结构体系: 剪力墙结构体系于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求也容易满足; 剪力墙结构体系主要缺点: 剪力墙间距不能太大，平面布置不灵活，不能满足公共建筑的使用要求。此外，结构自重往往也较大。剪力墙结构在住宅及旅馆建筑中得到广泛应用，因此这种剪力墙结构适合于建造较高的高层建筑。根据施工方法的不同可以全部现浇的剪力墙; 全部用预制墙板装配而成的剪力墙; 内墙现浇、外墙为预制装配的剪力墙。

4、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，包括单筒体、筒体-框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。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、高层建筑结构设计特点

1、水平荷载成为决定因素。一方面, 因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值, 仅与楼房高度的一次方成正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩, 以及由此在竖构件中引起的轴力, 是与楼房高度的两次方成正比; 另一方面, 对某一定高度楼房来说, 竖向荷载大体上是定值, 而作为水平荷载的风荷载和地震作用, 其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2、轴向变形不容忽视。高层建筑中, 竖向荷载数值很大, 能够在柱中引起较大的轴向变形,从而会对连续梁弯矩产生影响, 造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小, 跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大; 还会对预制构件的下料长度产生影响,要求根据轴向变形计算值, 对下料长度进行调整;另外对构件剪力和侧移产生影响, 与考虑构件竖向变形比较, 会得出偏于不安全的结果。

3、侧移成为控制指标。与较低楼房不同,结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加, 水平荷载下结构的侧移变形迅速增大, 因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

4、结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言, 高楼结构更柔一些, 在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力, 避免倒塌, 特别需要在构造

上采取恰当的措施, 来保证结构具有足够的延性。

三、高层建筑结构设计

在高层建筑中，竖向荷载对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比；另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。对一些较柔的高层建筑，风荷载是结构设计的控制因素，随着建筑物高度的增高，风荷载的影响越来越大。高层建筑中除了地震作用的水平力以外，主要的侧向荷载是风荷载，在荷载组合时往往起控制作用。因此，高层建筑在风荷载作用下的结构分析与设计引起了研究人员和工

程师们的重视。

1、竖向荷载设计应减轻自重。高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基的情况下，减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层有突出的经济效益。地震效应与建筑的重量成正比，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑重量大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，还由于重心高地震作用倾覆力矩大，对竖向构件产生很大的附加轴力，从而造成附加弯矩更大。

2、风荷载计算。在已有研究的基础上，《荷载规范》指出，垂直于建筑物表面上的风荷载应按下式计算：

ωk = βz μz μs ω0 （1）

式中：ωk：风荷载标准值（kn/m）；ω0：基本风压（kn/m）；μs：风荷载体型系数；μz：风压高度系数；βz：z高度处的风振系数。

（1）基本风压值ω0。基本风压值ω0系以当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的50年一遇10min平均最大风速v0为标准，按ω0=1/2pv确定的风压值。它应根据《荷载规范》中附表d.4采用，但不得小0.3kn/m2。对一般的高层建筑，用《荷载规范》中所给的ω0乘以1.1后采用；对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，其基本风压值应按100年重现期的风压值采用。

（2）风荷载体型系数μs。确定风荷载体型系数μs是一个比较复杂的问题，它不但与建筑的平面外形、高宽比、风向与受风墙面所成的角度有关，而且还与建筑物的立面处理、周围建筑物密集程度及其高低等有关。当风流经建筑物时，对建筑物不同部位会产生不同的效果，即产生压力和吸力。空气流动产生的涡流，对建筑物局部则会产生较大的压力或吸力。a）整个迎风面上均受压力，其值中部最大，向两侧逐渐减小。沿高度方向风压的变化很小，风压分布近似于矩形；b）整个背风面上还受吸力，两侧大、中部略小，其平均值约为迎风面风压平均值的75%左右。沿高度方向，风压的变化也很小，更近似于矩形分布；c）整个侧面，在正面风力作用