试析高层建筑结构设计与高层建筑结构方案的合理性

试析高层建筑结构设计与高层建筑结构方案的合理性

吴迪

黑龙江省建筑设计研究院

【摘要】新时代的到来社会的加速发展，高层建筑的增多预示着我国的各方面的科学技术已经达到一定程度，而高层建筑的结构设计区别与其他一部分建筑，对于建筑的结构设计要求更高，这要就需要设计师就需要考虑多方面结构的合理安排的问题，本文将针对高层建筑结构设计与方案的合理性问题进行分析讨论。

【关键词】结构方案；高层建筑；合理性

中国的相关法律规定10层及10层以上的住宅建筑和超过24米高的其他民用建筑为高层建筑，对于高层建筑的要求随着层数的递增而逐渐提高，高层建筑的层数达到一定高度时在其功能的适用程度、技术的合理和经济可行性方面都将发生巨大的变化，所以对于高层结构设计的合理性上需要一定的考量。

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

垂直荷载与水平荷载决定着一个建筑的稳固程度，垂直荷载主要承受建筑整体力的作用，而水平荷载主要掌握整个建筑结构的稳定程度，在一般情况下普通建筑所要考虑的只有地震所造成的震动影响垂直荷载和水平荷载之间的变化情况，而对于高层建筑而言，由于层数较高，虽然垂直荷载承受力较大，但对于高层建筑的整体结构情况起到主要作用的还是水平荷载，水平荷载受层高影响、气压变化等多方面承受较大的作用力。

2.轴受力形变的特点

高层建筑区别于一般建筑，高层建筑楼层越高区别于其他建筑的受力点和受力程度也会不同，举例来说普通多层建筑对于力的分配考虑一般在弯矩，因为弯矩的受力程度会改变整体结构的变化，而对于高层建筑而言，力的侧重点则在轴上，高层建筑的楼层过高，作用力一般是垂直受力较大，对于中心轴与边缘柱的受力程度也大不相同，所以高层建筑在整体结构力的作用上应考虑到轴受力发生形变的情况，从而保证高层建筑整体的稳定性。

3.侧移的特点

高层建筑的整体结构受水平荷载的影响较大，主要原因是层数过高，受地心引力、空气阻力的影响会发生一定程度的侧移现象发生，如果侧移情况严重会发生整体建筑结构受损坍塌现象的情况发生，侧移主要由于，水平荷载的承受力加大从而造成侧面形变的现象发生，建筑的内部作用力大于外部作用力超过水平荷载承受范围，所以要注意抗侧的强度，从而保证水平荷载在一个规定的范围内。

4.结构的延性特点

对于大多数高层的建筑结构来说，如在地震的作用下，结构一般会产生受力变形，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1～2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。

其悬挑结构：造型特殊，在外观上比较新颖，并很有艺术特色，再加上外柱截面小、且四面周围开敞，这样的设计结构很受欢迎。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灵活、方便。

三、高层建筑的结构体系新特点

高层建筑的结构为保证现阶段人们工作、生活的需要，将高层建筑结构内部根据使用功能的不同，建筑的结构也有不同的划分，用于大型宴会、活动场地、商场等人员较多的场所将格局划分的较为空旷，并且将安全出口等设计的空间较大，而对于民用住宅、办公楼等有针对性划分的场地主要注意隔音和空间结构的合理划分。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。

比如某地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

某工程是公司员工宿舍的结构设计，建筑共九层，总高33.5m，综合长度是85.96m。第1层为职工食堂，从2层到6层为员工的宿舍，7层到9层作为公司领导的住所。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42.7m。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。

五、高层建筑结构在技术上需要注意的问题

根据目前我国国情，和各项技术发展程度，我们有足够的实力进行高层建筑，但是部分建筑设计过于注重原有框架，和过于信任经验技术而不去进行创新。在新阶段的高层建筑结构设计当中，除了要考虑水平荷载的受力控制、轴承受力变形的情况等一系列技术问题，还要注意技术上的推陈出新，在保持原有优点的基础上，对于技术漏洞、工程失误等问题都是需要考虑的问题，就目前技术情况采取相应的改进措施和方案，增大建筑结构设计的合理性等多方面问题都是目前建筑结构设计需要考虑的问题。

六、结语

高层建筑由于其自身的特殊性，在建筑的设计方面就要考虑多方面的设计的合理性和实用性，这就要求建筑设计人员考虑相应的重力、空气压强以及相互作用力的问题。高层建筑结构的设计工作是一项复杂的工作，需要设计者利用科学手段满足人体工程学、重力力学等多种专业知识完成，虽然目前的技术水平足以满足高层建筑结构设计的基本要求，但在施工的过程中也要考虑突发情况等多种问题的发生，只有做好严谨的监督工作才能保证高层建筑整体的合理性保证人们的安全。

参考文献：

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[3]王跃辉.高层建筑结构设计研究[J].天津建设科技.2010.