关于高层建筑结构选型设计的初步探讨杨卫军

关于高层建筑结构选型设计的初步探讨杨卫军

杨卫军

西安圣苑工程设计研究院有限公司陕西西安710061

摘要：选型工作具有很强的综合性包含大量确定与不确定的因素，受诸多条件和因素影响，高层结构是否合理、经济的关键，随着建筑高度和功能的发展需要而不断发展变化。除了要考虑工程造价和投资能力，还要考虑所选结构型式对建筑功能的适应性，施工条件，技术能力，施工工期，建筑材料和能源供应，建筑美学要求包括建筑群及其环境的配合建设场地的地形地貌自然灾害等等。因此，本文主要对高层建筑结构选型设计进行分析研究。

关键词：高层建筑；结构设计；选型结构

一、高层建筑结构体系的分类

1.1框架结构:其构件主要包括框架梁、柱和楼板。柱网的布置灵活多样和方便获取较大的使用空间是其主要特点。因为其延性相对不错，所以填充墙一般可以选用轻质的隔墙以减轻建筑结构的自重。造价低的框架应该要进行纵横双向的布置，以便最终形成双向抗侧力体系。但是内凸的框架则会影响建筑的使用功能，而且横向侧移的刚度相对较小，导致抗震性能相对较差。地震中的填充墙损坏非常严重，所以其修复费用也相当高。其适用高度范围一般为:60m(6度设防)。

1.2框架—剪力墙结构:此结构体系的特点是利用电梯间，将之作为钢筋混凝土的核心筒来抵抗绝大部分的水平荷载。框架柱的作用主要是承受竖向荷载，框架结构布置灵活，能够满足大空间的房屋需求，还有相对较大的刚度与相对较强的抗震能力。但是框架—剪力墙也存在一些缺点:因为功能要求剪力墙所布置的位置会受到很多限制，所以一般都不能避免的产生钢心、质心不重合的结果，造成偏心扭矩，并且容易对内凸框架柱的使用产生一定的影响。

1.3异型柱框架结构:这是一种新派生的结构框架形式。它所具备的特点除了框架结构以外，同时还很好的处理了建筑平面与墙同宽的异型柱的使用问题。但是就拿异型柱和框架柱进行一个比较，异型柱的刚度与承载能力要好很多，而且其规范与要求也比框架结构更高。所以这种结构多用于多层建筑(比如:别墅)。

1.4剪力墙结构:一般来说，剪力墙所承受竖向荷载和水平荷载的能力相对较强。它的主要特点是整体性好且侧向刚度大，水平力作用下侧移小，能够方便房间内部的布置。能够通过在合适的位置开结构洞，以便形成若干断肢剪力墙，用来调整整体的刚度。并且还可以采用轻质填充墙来减轻结构的自重以及工程造价。其缺点为:尚不能提供较大空间房屋的结构且延性很差、造价很高。

1.5筒体结构:框架—核心筒结构一般是由实体的核心筒与外框架组成。在一般单位设计中，都会把电梯间和一些服务用房集中在核心筒内，其他需要相对较大空间的办公用房与商业用房等等一般都会布置在外框架的部分。因为核心筒是由两个方向的剪力墙所形成的封闭的空间结构。此结构相对于框架—剪力墙结构的整体性与抗侧刚度要更强一些。且其钢心和质心的偏差很小。

二、我国高层建筑工程在结构选型问题上的建议

关于我国高层建筑工程在结构选型问题上的建议的阐述和分析，文章主要从三个方面进行阐述和分析。第一个方面是在高层建筑工程的结构设计选型问题上，当面对竖向承重的设计时，我们第一个要考虑就是高层建筑的高度及高层建筑的使用用途。第二个方面是在高层建筑工程的结构设计选型问题上，当面对水平承重的设计时，我们要考量高层建筑的稳定性能和受力的传递性能。第三个方面是在高层建筑工程的结构设计选型中下部结构的基础选型是非常重要的一个环节。

2.1在高层建筑工程的结构设计选型问题上，当面对竖向承重的设计时，我们第一个要考虑就是高层建筑的高度及高层建筑的使用用途。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；层数很多或设防烈度较高时，可用筒体结构。

2.2在高层建筑工程的结构设计选型问题上，当面对水平承重的设计时，我们要考量高层建筑的稳定性能和受力的传递性能。水平承重结构选型通常有以下几种，平板体系、无梁楼盖、密肋楼盖和肋形楼盖。平板体系：平板体系采用单向板或双向板，常用于剪力墙结构或筒体结构。其优点是板底平整，可以不加吊顶，结构高度低，可以降低层高。

2.3在高层建筑工程的结构设计选型中下部结构的基础选型是非常重要的一个环节。它将上部结构传来的巨大荷载传递给地基。高层建筑基础形式选择的好坏，不但关系到结构的安全，而且对房屋的造价、施工工期等有重大的影响。

三、高层建筑结构设计要点分析

3.1高层建筑结构设计中水平载荷控制

区别于层数较少的建筑，高层建筑整体结构承受的水平载荷相对较大，对于水平载荷水平的控制直接决定了高层建筑的整体稳定性。高层建筑水平载荷与建筑承受的倾覆力矩以及偏心轴向力存在着紧密的联系，比例关系为两次方倍数。可见在高层建筑结构设计中，应严格控制水平载荷，防止出现因水平载荷过大引起的连锁性稳定问题。

3.2高层建筑结构设计中抗震性能控制

抗震性能是高层建筑结构设计关注的要点内容，对于建筑使用以及人员安全有着根本性的影响。高层建筑抗震性能的影响因素较多，在设计环节应对正常使用中设计的水平以及竖向载荷加以考虑，同时应从建筑结构选型中保证一定地震水平中建筑的稳定性，确保高层建筑实现“小震不坏、大震不倒”的抗震目标。

3.3高层建筑结构设计中侧移的控制

侧移问题是高层建筑使用过程中较为突出的稳定性问题，侧移的产生主要是建筑整体上部与下部水平载荷不同，而整体刚度水平又趋于一致所形成的结构侧向形变移动。高层建筑侧移水平与建筑高度4次方成正比例关系，设计人员在高层建筑设计过程中应重视侧移水平的控制。

3.4高层建筑结构设计中轴向变形控制

在高层建筑结构设计中，目前应用最多的是框剪结构体系，在这一体系中高层建筑整体竖向载荷在中柱结构处相对集中，因而向建筑基础结构传递的压强更大，而与之相比边框结构处的应力相对较小，轴向压强也较小。不同外部压力载荷条件下，高层建筑结构在竖向呈现差异性压缩变形趋势。因此，设计人员应对建筑结构进行优化，避免因过大的轴向变形而形成连续梁中间支座沉陷等系列问题。

3.5高层建筑结构设计中自重的控制

众所周知，随着高层建筑整体高度的不断增加，其结构体量与向基础结构传递的载荷也在不断提升。而在高层建筑整体自重水平超过地基承载能力的情况下，高层建筑将出现下沉、倾覆或抗震性能不足等系列问题，这种问题在软土地基等不良地质条件下更为突出。因此，设计人员应结合工程地质实际条件，通过结构的优化设计降低高层建筑自重，使其不超出基础结构的极限承载能力，确保高层建筑整体的稳定性。

结束语

高层建筑时当前我国城市化进程不断推进过程中，出现的建筑形式，此类型建筑呈现出了较为复杂的结构体系及建筑平面功能，结构工程师在结构选型、结构布置方面面临着越来越多的挑战。在高层建筑结构设计与选型中，应在满足建筑使用功能及结构安全前题下，综合考虑投资、工期、施工经验、空间效果、使用面积和结构性能等综合效益指标来作出判断。

参考文献

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