高层建筑结构设计及结构选型探究

高层建筑结构设计及结构选型探究

张汝耀

马龙县建筑设计院

摘要：随着城市化进程加快，城市住宅密度不断提高，城市中越来越多的高层建筑出现，高层建筑在提高单位土地面积的利用率的同时还需要满足居民的生活需要及抗风、抗震等设计要求，本文论述高层建筑结构设计的结构类型，由高层建筑的设计目标着手，讨论结构设计主要存在的问题，并为高层建筑结构设计的问题作出了回答，为具体的高层建筑结构设计和选型提供思路和参考。

关键词：高层建筑；结构设计；结构选型

如今，应城市化的发展，我国高层建筑遍布城市各个角落，满足城市居民的住房和生存需求，在抗风、抗震等需求领域也在不断研究并发展，不同的建筑结构类型其抗风抗震性能不同，需要根据具体要求来选择高层建筑的结构体系类型。本文从高层建筑结构类型体系和高层建筑设计目标着手，探讨结构设计中存在的主要问题并提出改善措施。

1.我国高层建筑结构设计的主要结构类型

在新《高规》中，将10层及10层以上或高度超过28m及以上的建筑称为高层建筑，目前我国高层建筑结构的主要类型有钢筋混凝土结构、素混凝土结构、钢管结构、钢组合结构。其中应用最普遍的是钢筋混凝土结构，钢筋混凝土结构又可以分为剪力墙结构、框架结构、框架剪力墙结构。钢筋混凝土结构由于其抗弯性能优越，稳定性强的特点而被广泛运用。

1.1钢筋混凝土结构

钢筋混凝土结构指的是用钢筋增强坚固程度的混凝土制成的结构，起承重作用的主要构件是用钢筋混凝土建成的。混凝土由胶凝材料如水泥、砂子、石子和水及掺和材料、外加剂等组合而成，凝固后坚硬如石，受压能力很好，但受拉能力却不理想，为了解决混凝材料的这种矛盾并充分发挥混凝土受压能力，常常在混凝土内部加入一定量的钢筋，钢筋承受拉力而混凝土承受压力，在实际设计过程中，为了使建筑的承载力在合理范围之内，常钢筋混凝土结构设计常采用的规范设计方法有容许应力设计法、破坏强度设计法、极限状态设计法，最常用的是综合了前两种设计方法优缺点的极限状态设计法。

钢筋混凝土结构之所以可以承受很大的重量而不分离，是因为钢筋混凝土之间具有粘结锚固能力，这种粘结锚固能力由四部分组成：第一部分是钢筋和混凝土接触表面的化学吸附力，称为胶结力，第二部分来源于混凝土收缩而将钢筋紧紧握固产生的摩擦力，第三部分是钢筋本身表面凹凸不平的纹理与混凝土之间产生的咬合力，第四部分来源于钢筋的两端或一端部分加弯钩、弯折或是在锚固区焊上短的钢筋角钢来提供的锚固力。在实际运用过程中，钢筋混凝土结构具有坚固、耐久、防火且相较于钢结构更节省钢材、成本低的优点。

1.2素混凝土结构

素混凝土结构是以混凝土制成的结构，相对于砌体结构、木结构、钢结构、铁结构，素混凝土结构是一种新兴结构，应用历史不过一百多年。相较于其他材料，素混凝土结构具体优点表现为：整体性好，可塑造成一个整体；可模性好，可浇灌成任意尺寸和形状，持久、耐火、造价低、维护费用也低，但这种结构也有其明显的缺点：抗拉强度低，易出现裂缝；新旧混凝土不易粘连，如遇损伤修补难度高；相较于木制和钢制结构自重较大；施工易受季节和气候的限制；隔热隔声性能较差；施工工序复杂，周期较长。

1.3钢管结构

钢管结构是以圆钢管或方钢管或矩形钢管作为主要建筑材料的结构。钢管桁架结构是钢管结构的一种，它是桁架结构和钢管材料组成的一种结构形式，适应性较强，也称为钢桁结构、管桁架、管结构等，近年以来在大跨度空间的建筑结构中得到了广泛的应用。钢管结构在我国建筑中应用较多，如海洋工程、桥梁工程中的应用，在民用建筑中同样发挥着作用，应用日益广泛，如宝钢三期项目中采用的方管桁架，吉林滑冰练习馆、上海“东方明珠”电视塔均采用钢管结构。

在实际运用中具有这些优点：强度高、强比重大；塑性与韧性都较好；材质均匀且符合力学假定，安全可靠度较高；适宜工厂化生产，工业化程度高，施工速度快，缺点是耐火性差、不耐锈蚀。

1.4钢组合结构

  组合结构指的是两种或多种不同材料组合在一起形成一种构件或结构而共同作用的结构，常见的刚组合结构为钢-混凝土结构，是钢材和混凝土结构组合而成的一种建筑结构，被广泛运用于桥梁工程、城市道路工程等建筑项目中。钢组合结构中的各类组合结构都有各自的优点，如钢管-混凝土柱结构是一种高强度、轻质、性能好、施工简便的组合结构材料，受力合理，承载力高。

2我国高层建筑的设计目标

  建筑设计的终极目标是为了满足人们的使用需求，在实际的设计开发中，主要有以下三个需求，第一，抗风抗震防火需求，在实际使用过程中，居民始终将自身安全放在第一位，应逐步优化建筑的抗风抗震防火设计，如设立单独的火灾救援通道，安装灭火装置并定期检查等，第二，对建筑功能实用的需求，当前建筑具体功能不断增多，居住感受也越来越好，这说明功能需求是居民所追求的，不断完善建筑的实用功能可以提高居民的幸福生活指数，第三，对增大绿化面积的需求，随着生态社会的建设与发展，绿色环保的观念深入人心，小区的绿化面积成为了人们居住地选择的重要考虑因素，绿化面积在一定程度上也体现了小区环境质量的高低。

3.我国高层建筑结构选型措施

结合建筑结构设计的类型和目标，论述我国高层建筑结构中存在的问题，这些问题主要体现在抗震性能、抗风性能、防火设计三个方面。

3.1抗震性能方面

抗震性能是一座高层建筑质量的重要衡量角度，相较于发达国家，我国的抗震性能设计研究比较落后，出台的《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ3-2010）对每一个级别的建筑都涉及了适宜的高度，在相应的防御烈度和房屋架构，应保证适宜的建筑高度。但实际情况下往往超出相应的高度，一旦地震出现，建筑的破坏程度会被加大，难以抵御地震的强度。在抗震材质方面的选择也存在不合理状况，发达国家的地震危险区建筑材料主要是钢材，但在我国高层建筑中钢筋混凝土的使用仍然较为普遍，相较于钢材，钢筋混凝土结构的抗震性能明显较低。我国建筑抗震设防的烈度相对于发达国家来说水平较低，有很多建筑学领域专业人士指出，现阶段我国推行的建筑整体架构设计安全度已不能满足我国居民住房需要。

  在抗震设计方面，建筑专业领域人士应落实抗震验算、设置多条抗震防线、完善好隔离及减震设计，在具体的建筑设计报告中应有详实的抗震内容，在建材选择上，应选用钢作为防震材料。

3.2抗风性能方面

在平地少、山坡较多的环境中，城市只有向上发展空间才能有较大的竞争优势。但由于高层建筑的高宽比较大，因此抗侧刚度较小，若高层建筑没有相应的防风设计，那么建筑本身很可能会倾斜断裂，高层建筑除了对抗自身竖向荷载外，还要对抗地震作用、风荷载，风荷载的作用相较于地震作用更为频繁，具有持久性，综上，风荷载是十分重要的设计荷载。

高层建筑防风设计主要通过防风加固的方法进行，其主要方法有增大截面法（增大相应构件的截面积）、外包钢加固法（在构件周围增加型钢进行加固）、预应力加固法（外加预应力钢拉杆）。

3.3防火设计方面

高层建筑的防火设计对降低火灾发生频率具有重要意义，目前我国的高层建筑防火设计具有以下问题：内部装修建筑材料选择不正确，消防体系不完善，消防设施疏于管理。在具体的建筑材料方面，钢筋混凝土结构和素混凝土结构相对于其他建筑结构来说防火效果非常突出，在具体的防火措施上，首先要科学规划修建应急疏散通道，实现电梯、防火区、安全通道及火灾排烟系统的标准化，避免火灾发生时人群疏散困难的情况发生，管理登记好消防设施，完善好消防体系，明确消防责任。

结束语

高层建筑的结构的选择对于建筑本身具有重要影响，应根据建筑周围环境特点、用途等来选择合理的建筑结构，在设计过程中，仍然存在着不少设计问题，加强建筑结构选型的布置、提高建筑结构选择性的经济型等措施可以有效的提高高层建筑结构设计及结构选型的效率，也能优化高层建筑的设计方式，提高高层建筑的建设质量。

参考文献

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