高层建筑结构设计论文

浅谈高层建筑结构设计

【摘要】上世纪末以来，城市化进程加速，城市人口激增，社会经济蓬勃发展，高层建筑在城市中越来越多。如今，城市中的高层建筑已经成为当地经济繁荣的重要标志。

【关键词】结构设计；高层建筑；控制参数；载荷；抗震

1 高层建筑的特点

《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，10层及10层以上和高度超过28 m的钢筋混凝土民用建筑属于高层建筑。相比多层建筑而言，高层是向空中发展，容积率一定的情况下，建造高层建筑可以节省规划用地面积，提高城市绿化率，还可以缓解城市用地紧张的局面。

高层建筑基础需要计算确定深度，独立的高层建筑单体而言，基础埋深比较容易确定，但现今住宅多为数十栋高层建筑群，地下车库相互连接，这时，既要充分考虑地下车库应的侧向刚度作为高层建筑的侧限。

高层建筑比多层建筑多出较多的设备用房，如电梯、管道井等，这样就会增加建筑物的造价，增加公共面积；从建筑防火的角度看，高层筑的防火要求要高于中低层建筑，也会增加高层建筑的工程造价和运行成本。

2 高层结构设计体系特点

地震作用和风荷载的影响下高度的增加，水平作用对高层建筑结构安全的控制作用更加显著。高层建筑的抗震性能、抗侧刚度、

承载能力、造价高低，与所采用的结构系统密切相连。不同的层数、高度应采用不同的结构体系。

2.1 筒体结构

单个筒体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墙组成空间薄壁筒体，即为实腹筒；框架通过减小肢距，形成空间密柱框筒，即框筒；筒壁若用空间桁架组成，则形成桁筒。实际结构中除烟囱等构筑物外不可能存在单筒结构，而常常以框架—筒体结构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结构形式出现。在层数很多或设防烈度要求很高时，可用筒体结构。

2.2 剪力墙结构体系

利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。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。但剪力墙结构体系平面布置不灵活，结构自重往往较大，不能满足公共建筑的使用要求，适合于建造较高的高层建筑。

2.3 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（超级框架）或巨型衍架杆件（超级衍架），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。

2.4 框架—剪力墙结构（框架—筒体结构）体系

在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来，取长补短，共同抵抗水平荷载，就组成了框架—剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架—筒体结构体系。框架—剪力墙（筒体）结构比框架结构的刚度和承载能力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙及外墙）的损坏，这样无论在非地震区还是地震区，这种结构型式都可用来建造较高的高层建筑，可以满足大多数建筑物的高度要求。目前在我国得到广泛的应用。

2.5 框架结构体系

框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构，框架形成可灵活布置的建筑空间，具有较大的室内空间，使用较方便。由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制。所以，框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中，高度一般控制在70m以下。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用不多。

不同的建筑选择不同的结构体系，因各体系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，在层数很多或设防烈度要求很高时，可用筒体结构。框剪结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求；框架结构适用于高度低，层数少的情况。

3 高层结构设计基本要求

结构规则性是高层结构设计基本要求是因为考虑建筑的抗震

性，故一般不采用严重不规则的设计方案。

规则的建筑结构是指体型的规则，包括平面、立面的规则，结构平面和结构竖向布置均匀，对称；从而具有较好的抗扭刚度，结构的承载力分布均匀。简而言之，高层结构设计应符合下列要求：结构平面形状力求简单、规则，承载力分布均匀、合理，考虑多道抗震防线；特别注意的是避免局部突变和扭转效应而形成薄弱部位、避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载。

结构设计的规则性要求结构体系应具有必要的变形能力、承载能力和刚度；对可能出现的薄弱部位可采取有效措施，避免意外的发生。

4 高层建筑结构设计的控制参数

《高层建筑混凝土结构技术规程（jgj3-2002）》在相关章节对周期比、轴压比、刚重比、位移比、刚度比、剪重比进行了严格控制。设计中应引起我们的重视。

4.1 轴压比

柱或是墙，轴压比n/(fca)指柱轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比。为限制结构的轴压比，保证结构的延性要求，规范对墙肢和柱均有相应限值要求。轴压比过小宜适当减少相应墙、柱的截面面积。轴压过大结构的延性要求无法保证；

4.2 剪重比

剪重比即最小地震剪力系数λ，控制各楼层最小地震剪力，尤其是对于基本周期大于3.5s的结构,以及存在薄弱层的结构, 确保周期较长的结构的安；不满足要求时说明结构的刚度相对于水平地震剪力过小；也不宜过大，剪重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差。

4.3 刚重比

规范上限主要用于确定重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应是否可以忽略不计。刚重比不满足规范上限要求，说明重力二阶效应的影响较大，应该予以考虑。规范下限主要是控制重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应不致过大，避免结构的失稳倒塌。刚重比不满足规范下限要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小；但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。

4.4 位移比

主要为限制结构平面布置的不规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应不满足规范要求，说明结构的刚心偏离质心的距离较大，扭转效应过大，结构抗侧力构件布置不合理。

4.5 刚度比

刚度比，也称层刚度比，指结构竖向不同楼层的侧向刚度的比值，该值主要为了控制高层结构的不规则性，以免竖向形成薄弱层。

4.6 周期比

周期比即结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振