高层建筑结构设计与高层建筑结构方案的合理性

高层建筑结构设计与高层建筑结构方案的合理性

摘要：随着经济的飞速发展，建筑行业成为了当今的热门，然而随着国内人均土地资源的减少，越来越多的建筑转型为高层建筑。在这里针对高层建筑结构设计方面问题展开的一系列探讨，主要介绍高层建筑结构设计的特点，与经常会用到的一些结构体系以及新兴高层建筑结构体系的发展趋势；将工程中的实例有效结合，探讨合理的结构体系对高层建筑结构设计重要的意义。希望本文的研究对日后高层建筑的设计有一定的帮助。

关键词：结构方案；高层建筑；合理性

Abstract: With the rapid economic development, the construction industry to become today’s popular, however, with the reduction in per capita land resources, more and more buildings are transformed into high-rise buildings. In a series of discussions of the problem of high-rise building structure design, introduces the characteristics of high-level design of building structures, often used in some of the structural system, as well as emerging high-rise building structural systems development trends; the instance of the project effectively combine , explore the structural system on high-rise building structure design significance. Hope that this study will certainly help the design of future high-rise buildings.

Keywords: structure of the program; high-rise buildings; reasonable

一般对于高层的建筑结构来说，怎么样将其设计的安全、经济、合理，与其选择结构设计方案是不是合理有很大关系。只有将高层建筑的结构进行合理的设计，才能够有效保证高层建筑的优质使用性。然而随着高层建筑的快速发展以及高层建筑的功能复杂化，高层建筑在结构上的设计难度也是不断的提升，高层建筑的结构设计合理化模式成为设计重点。所以对高层建筑结构设计方面问题的研究势在必行。

一、高层建筑结构设计的特点

1、需要承受较大的水平荷载作用

每一个建筑都需要承受着很大的垂直荷载与水平荷载，以及地震对建筑物造成的影响。在低层和多层建筑结构中，一般重力荷载就是其主要的控制因素，相对于影响来说，水平的荷载较小，侧向位移小。在高层建筑结构中，虽然垂直的荷载对于结构来说有着很大一部分影响，但是主要起着决定作用的还是水平的荷载。并且会随建筑层数及高度的不断增加，水平的荷载作用产生的内力和位移迅速增大。

2、轴向变形的特点

由结构力学可知，计算结构构件位移的公式为：

一般对于多层的建筑来说，会对弯矩充分考虑，因为轴力对于底层建筑的影响非常小，一般不去考虑剪切项的内容。但是对于高层的建筑来说，就是极为重要的一个控制点。从上面的公式可知，由于高层建筑的层数非常多，高度有很大，轴的力度数值也很高，而且沿高度所积累的一些轴向变形非常明显，轴向的变形会使得高层建筑结构内力的数值以及分布出现很大变化。对于一些连续性弯矩来说，在利用框--墙结构和框架墙结构的高层建筑中，一般中柱所承受的轴压普遍都会比边柱的大。一旦房屋属于高层建筑的时候，这种轴向变形的差别的数值就会很高，并使得连续梁之间的支座弯矩的数值变小，而跨中的正弯矩的数值逐渐增大。

3、侧移的特点

与低层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。由实践可知，结构顶点侧移是与建筑高度H的四次方成正比。其相关公式如下：

高层建筑结构设计时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受水平荷载作用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移限制在规范规定的范围之内，以保证有良好的居住和工作条件。

4、结构的延性特点

对于高层的建筑结构来说，在地震的作用下,结构会产生更大的变形。为了使得建筑经过塑性的变形之后，还具有较强的形变能力，有效避免建筑出现倒塌的现象，尤其要在设计的时候应用合理的措施，确保建筑良好的延性。

二、高层建筑中对于结构体系的比较分析

下面列举较有代表性的结构体系进行分析

悬挂结构:是指采用吊杆将高楼各层楼盖分段悬挂在主构架上所构成的结构体系。主框架与矩形框架相类似，承担全部侧向和竖向荷载，并将它直接传至基础。除主框架落地外，其余部分均从上面吊挂，可以不落地。

矩型结构:一般有矩形框架结构和矩形桁架结构。矩形框架结构由楼、电梯井组成大尺寸箱形截面矩形柱，有时也可以是大截面实体柱，每隔若干层设置一道1层～2层楼高的矩形梁。它们组成刚度极大的矩形框架，是承受主要的水平

力和竖向荷载的一级结构;上下层矩形框架梁之间的楼层梁柱组成二级结构，其荷载直接传递到一级结构上，其自身承受的荷载较小，构件截面较小，增加了建筑结构布置的灵活性和有效使用面积。紧靠上层矩形梁的楼层，甚至可以不设柱，形成较大空间，以满足建筑需要。矩形桁架结构以大截面的竖杆和斜杆组成悬臂桁架，主要承受水平和竖向荷载。

悬挑结构:体型独特，外观新颖，在建筑艺术上有特色，加之外柱截面很小、四周开敞，很受建筑师的欢迎。其特点是围绕核心筒在各个方面作出悬挑，由核心承受所有的荷载，围绕核心筒可以创造出没有任何垂直支撑的平面形式，这使室内空间的使用更加方便、灵活。

三、高层建筑的结构体系新特点

高层建筑内部空间因其使用性质和功能不同，建筑平面布置也就随之变化。小空间平面布置方案仅适用于住宅及旅馆；办公室要求大小空间兼有；餐厅、商场、展览厅等，则要求有能灵活分隔的大空间；舞厅，宴会厅和报告厅等，又要求内部为无柱大空间。随着结构技术的发展，一些较新颖结构体系的运用，如悬挂、巨型、悬挑等结构，为满足各种使用功能要求创造了有利的条件。

比如广州珠江的新城西塔的内筒应用的就是一种新型的钢筋混凝土的结构，在外筒上采用的是新型的钢管混凝土菱形斜交的网格筒，它不论是在材料上还是施工的方法上与传统框筒有着很大不同。因为结构复杂、设计要求又比较高，导致出现了千变万化的结点形式，也导致了刚接与滑动等结构逐渐复杂化。这些体系的新特点也是当今建筑设计的一种新型突破。

四、对高层建筑结构进行设计的一些实例分析

此工程是某一个高级企业的员工宿舍的结构设计，建筑共九层，总高33.5米,综合长度是85.96米。第一层为员工食堂，从二层到六层为员工的宿舍，七层到九层作为公司高级员工的住所。结构设计中,按七度区设防,特征周期是0.35S，地震加速度是0.15进行抗震设计，主体采用现浇钢筋混凝土的框架结构。在结构分析时，将整个的建筑结构主要分成两个单元，并且通过设缝将单元的长度均为42.7米。因本工程室内的墙体比较多，导致了边柱与中柱都要承受很大荷载。在建筑的底层柱上应用的是C40的混凝土材料，中柱的横截面积大约在950*1000。在最开始试算时，第一个周期为扭转周期。依照技术规程之中所规定的内容：结构扭转为主要内容的第一自振周期是Tt和平动为主第一自振的周期T1的比值，A高度的高层建筑这个比值不可以大于0.9。在最开始的试算之中，Tt和T1的比值，均超过规范要求大于0.9，在之后的试算之中。通过以下措施进行调整。 1、加大角柱

2、让中柱与边柱的横截面积进行减低

将底层的角柱横截面积调整为850*800，同时将底层中柱的横截面积调整成950*950，底层边柱的横截面接调整成900*950，通过结构试算,第一个周期为平

动周期，且Tt/T1的比值为0.87，满足规范要求，使整个结构顺利完成。但是一旦框架柱的横截面积过大，就会对下面的一些楼层平面在使用功能上有一定的影响，比如房间与卫生间的框架柱截面太大，就会对使用功能造成一系列影响。对于此工程来说，如果在一些适当的位置进行剪力墙的假设，使底层的角柱截面调整成500*500，而底层中柱和边住的横截面积调整成600*600，并将其进行计算，会使经济上的指标有一定的提高。

一般在建筑结构设计时，普遍都是依照传统设计的经验与结构规范以及建筑任务书所要求的内容，来将结构的类型确定之后，依照规范对于各种横截面积的大小与位置进行确定，而且一般依照实际的建筑平面以及功能对建筑构件进行位置的确定之后，普遍先对截面与剪力墙的尺寸进行确定，之后再实行复核的计算。一旦截面大小不合适或者是构件的位置不适当，就需要进行重新的调整而进行释放的核算，直到取得了合理的构件位置与数量以及截面的大小。这个过程之中一般需要进行很多的试算与调整，体现了建筑结构布置合理的重要性质。而在此工程剪力墙的实际布置之中，出现了很多的困难，因为建筑平面功能里一层到六层的格局是不相通的而地下还要求有大空间的车库与汽车的坡道。在设计中不但要满足于上下的剪力墙能够对齐，还要不影响建筑的功能，通过多次的试验之后在该剪力墙的布置处理之中应用相应原则来处理。

结语：

社会的发展，科技的进步必然导致建筑的繁复，复杂的建筑其结构设计及布局难度只会加大。只有依照经济、合理与先进技术等设计原则，在有效满足建筑的功能与安全的前提下，对建筑结构的设计进行合理性的判断，对投资、施工时间以及空间效果等方面进行综合考虑，设计出符合技术要求的高层建筑，对于现代城市的建设来说是非常重要的。

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。