论文部分内容阅读
【摘 要】随着高层建筑的快速发展，如何才能更好的提高高层建筑结构设计，文章作者根据自己多年来的工作经验，就针对高层结构设计中的常见问题进行了分析并提出了自己的看法，供大家参考借鉴。
【关键词】高层建筑；结构设计
近年来，由于建筑功能和城市规划的需要，加之建设用地的紧张，高层建筑的层数在不断增多。另一方面，层数日渐增多的高层公共建筑为满足不同用户的需要和适应现代社会高效率、快节奏的要求，而发展为高层综合大厦、综合性建筑的发展使平面布置和体型日益复杂；使结构体系多样化。最常用的结构体系有：剪力墙、筒体结构、框架- 剪力墙结构，特别是框架一剪力墙结构广泛用于办公和公共建筑，也大量应用于高层旅馆建筑。它主要由框架构成自由灵活的使用空间，容易满足不同建筑功能的要求，同时又有足够的剪力墙作为抗侧构件，具有较大的刚度，从而使得框剪结构具有较强的抗震能力，也大大减少了结构侧移，避免砌体填充墙在地震时严重破坏和倒塌。
一、高层建筑结构体系
（一）框架-剪力墙体系
从结构体系上看由于它平面布置灵活，空间大，能适应较多功能的需要，当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，因而便形成了框架-剪力墙体系。在承受水平力时， 框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板与连梁组成协同工作的结构体系。在该体系中，框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架 -剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。但是，框架结构的侧向刚度较小，在一般节点连接情况下，当承受侧向的风力或地震作用时，将会有较大的变形。因此，限制了这种结构形式的建造高度和层数但是在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。剪力墙的设置增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低，且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以，框架-剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。
（二）剪力墙结构体系
为了满足更高层数的要求，出现了较高层数的剪力墙结构。一般是现在高层建筑中最常用的设计结构体系，采用剪力墙的结构可以减少非承受墙的数量室内没有外漏的梁柱。剪力墙纵横相交既可以做承重的结构又可以做分间隔的墙，由于墙体的交错，剪力墙结构具有良好的侧向刚度和规整的平面布置，按照功能要求，设置自下而上的现浇钢筋混凝土剪力墙，对抵抗侧向风力和地震作用是十分有利的，剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系因此它允许建造的高度远远高于框架结构。所以比框架结构的刚度要大得多这是在高层建筑中抵抗风荷载和地震的有力的条件。这种设计也有自己的缺点就是剪力墙组成很多小的房间，对建筑的整体的布局设计受到很多限制。
（三）筒体体系
筒体结构是近年来发展起来的新体系，凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，它的出现满足了高层建筑更高层数的要求，包括单筒体、筒体一框架、筒中筒、多束筒等多种形式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体结构具有很好的整体性和抗侧力性能，很大的刚度和强度，在平面布置和满足功能要求方面也有明显的优势。受力比较合理， 抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层。为众多高层和超高层建筑结构所采用。
二、高层建筑结构设计若干问题
（一）水平荷载成为决定因素
在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。
（三）轴向变形不容忽视
高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大。
（四）侧移成为控制指标
与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅逐增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
（五）结构的规则问题
新旧规范在这方面的內容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息 嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范明确规定 建筑不应采用严重不规则的设计方案 因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
（六）结构的超高问题
在抗震规范与高规中，对结构的总高度都有严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为 A 级高度以为，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期 造价等整体规划的影响相当巨大。
（七）嵌固端的设置问题
高层建筑在进行结构分析计算之前必须首先确定结构嵌固端的所在位置， 而嵌固端的选取却面临着各种不同情况， 如不设地下室但基础埋深较大， 设有地下室但其层数或多或少， 且基础形式不同等。根据以上情况正确选取其结构嵌固端， 是高层建筑结构计算模型中的一个重要假定，它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性， 而且还影响结构产生侧移的真实性， 以及结构局部的经济性。由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置。因此， 在这个问题上， 结构设计工程师需要注意如下几个方面： 嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
地下室顶板作为上部结构构件的嵌固端时，应保证被嵌固构件在嵌固处不会发生平动位移和转动位移，应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（ JGJ3- 2002） 和《建筑抗震设计规范》（ GB50011- 2001）中对地下室顶板作为嵌固端的要求，当地下室顶板或地下某层楼板开大洞、局部不连续、错层等，将不能起到嵌固作用， 此时， 适宜将地下室底板作为嵌固端。
（八）短肢剪力墙的设置问题
在新规范中，对墙肢截面高厚比为5～8 的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制， 因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
近些年来，我国的高层建筑建设发展迅速，但从建筑结构设计方面来看，并不理想。在高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择。高层建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析掌握的知识处理实际建筑设计中遇到了各种问题。
【关键词】高层建筑；结构设计
近年来，由于建筑功能和城市规划的需要，加之建设用地的紧张，高层建筑的层数在不断增多。另一方面，层数日渐增多的高层公共建筑为满足不同用户的需要和适应现代社会高效率、快节奏的要求，而发展为高层综合大厦、综合性建筑的发展使平面布置和体型日益复杂；使结构体系多样化。最常用的结构体系有：剪力墙、筒体结构、框架- 剪力墙结构，特别是框架一剪力墙结构广泛用于办公和公共建筑，也大量应用于高层旅馆建筑。它主要由框架构成自由灵活的使用空间，容易满足不同建筑功能的要求，同时又有足够的剪力墙作为抗侧构件，具有较大的刚度，从而使得框剪结构具有较强的抗震能力，也大大减少了结构侧移，避免砌体填充墙在地震时严重破坏和倒塌。
一、高层建筑结构体系
（一）框架-剪力墙体系
从结构体系上看由于它平面布置灵活，空间大，能适应较多功能的需要，当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，因而便形成了框架-剪力墙体系。在承受水平力时， 框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板与连梁组成协同工作的结构体系。在该体系中，框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架 -剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。但是，框架结构的侧向刚度较小，在一般节点连接情况下，当承受侧向的风力或地震作用时，将会有较大的变形。因此，限制了这种结构形式的建造高度和层数但是在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。剪力墙的设置增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低，且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以，框架-剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。
（二）剪力墙结构体系
为了满足更高层数的要求，出现了较高层数的剪力墙结构。一般是现在高层建筑中最常用的设计结构体系，采用剪力墙的结构可以减少非承受墙的数量室内没有外漏的梁柱。剪力墙纵横相交既可以做承重的结构又可以做分间隔的墙，由于墙体的交错，剪力墙结构具有良好的侧向刚度和规整的平面布置，按照功能要求，设置自下而上的现浇钢筋混凝土剪力墙，对抵抗侧向风力和地震作用是十分有利的，剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系因此它允许建造的高度远远高于框架结构。所以比框架结构的刚度要大得多这是在高层建筑中抵抗风荷载和地震的有力的条件。这种设计也有自己的缺点就是剪力墙组成很多小的房间，对建筑的整体的布局设计受到很多限制。
（三）筒体体系
筒体结构是近年来发展起来的新体系，凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，它的出现满足了高层建筑更高层数的要求，包括单筒体、筒体一框架、筒中筒、多束筒等多种形式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体结构具有很好的整体性和抗侧力性能，很大的刚度和强度，在平面布置和满足功能要求方面也有明显的优势。受力比较合理， 抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层。为众多高层和超高层建筑结构所采用。
二、高层建筑结构设计若干问题
（一）水平荷载成为决定因素
在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。
（三）轴向变形不容忽视
高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大。
（四）侧移成为控制指标
与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅逐增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
（五）结构的规则问题
新旧规范在这方面的內容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息 嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范明确规定 建筑不应采用严重不规则的设计方案 因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
（六）结构的超高问题
在抗震规范与高规中，对结构的总高度都有严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为 A 级高度以为，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期 造价等整体规划的影响相当巨大。
（七）嵌固端的设置问题
高层建筑在进行结构分析计算之前必须首先确定结构嵌固端的所在位置， 而嵌固端的选取却面临着各种不同情况， 如不设地下室但基础埋深较大， 设有地下室但其层数或多或少， 且基础形式不同等。根据以上情况正确选取其结构嵌固端， 是高层建筑结构计算模型中的一个重要假定，它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性， 而且还影响结构产生侧移的真实性， 以及结构局部的经济性。由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置。因此， 在这个问题上， 结构设计工程师需要注意如下几个方面： 嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
地下室顶板作为上部结构构件的嵌固端时，应保证被嵌固构件在嵌固处不会发生平动位移和转动位移，应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（ JGJ3- 2002） 和《建筑抗震设计规范》（ GB50011- 2001）中对地下室顶板作为嵌固端的要求，当地下室顶板或地下某层楼板开大洞、局部不连续、错层等，将不能起到嵌固作用， 此时， 适宜将地下室底板作为嵌固端。
（八）短肢剪力墙的设置问题
在新规范中，对墙肢截面高厚比为5～8 的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制， 因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
近些年来，我国的高层建筑建设发展迅速，但从建筑结构设计方面来看，并不理想。在高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择。高层建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析掌握的知识处理实际建筑设计中遇到了各种问题。