浅谈高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系

浅谈高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系

胡为强

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摘要：近些年, 城市规划中的高层建筑越来越多，他以其高度强烈地影响着规划、设计、构造和使用功能。所以，市政部门在城市规划的过程中需要在充分了解高层建筑结构设计的特点基础上，选择符合城市总体规划的高层建筑项目。避免高层建筑在施工过程中容易出现的问题，并严格按照设计的基本原则执行。

关键词：高层建筑；结构；概念设计；结构体系分析

引言：

城市规划中的高层建筑越来越多，他以其高度强烈地影响着规划、设计、构造和使用功能。就结构特征而言，高层建筑就必须着重考虑水平荷载和竖向荷载组合影响的建筑物，设计高层建筑时，它的结构除在上述荷载组合下的强度、刚度和稳定性应予以保证外，还必须控制由风荷载（或地震水平作用）所产生的侧向位移、防止由此产生的结构和非结构性材料的破坏；控制由风荷载造成顶部的楼层加速度反应，以使用户对摆动的感觉和不舒适感降到最低程度，这就需要设计师从一开始就应该以一个立体的概念设计为基础。本文中笔者将从分析高层建筑概念设计的基本原则入手，介绍一些高层建筑的常见的结构体系。

一、概念设计的重要性

概念设计是展现先进设计思想的关键，一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。随着年龄的增长，导致他们在大学所的那些孤立的概念都被逐渐忘却，更谈不上设计成果的不断创新。强调概念设计的重要，主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性，比如对混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。

二、高层建筑结构设计的特点

1.水平荷载

在高层建筑结构设计中水平作用是决定因素，因为高层建筑相对于普通建筑而言，需要更强的技术性和专业性。因为高层建筑需要考虑的因素较普通建筑多，如需要考虑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，它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。从另一方面考虑，通常情况下，高层建筑的竖向荷载是定值而水平荷载会随建筑结构而有所不同。所以，水平荷载是高层建筑结构设计的决定因素。

2.结构延伸

在高层建筑的结构选择和设计过程中，要在保证高层建筑的足够承载力的基础上，注重刚度的加强，以抵抗侧向力。因为随着建筑层级的增多，每一层建筑都会在水平力作用下产生的一定的侧向力，从而发生侧向位移。此外也要注重通过各种措施减轻建筑自重。因为减轻自重不仅可以更好的做到建筑防震，还能够减轻对地基和桩基的压力，通常情况下采用高强度材料可以有效的实现高层建筑的自重的减轻。所以，结构延伸是高层建筑结构设计的重要指标。

3.侧向位移

伴随楼层设计的越来越高，同时水平载荷作用下产生的结构侧移会随之不断增加，最终结构定点处的侧移正比于建筑物高度的四次方。因此为了保障建筑物的安全性，必须做好结构侧移的控制。

4.轴向变形

随着建筑物高度的增加，竖向载荷也会不断加大，这就可能使柱中产生很大的轴向变形，进而对连续梁弯矩造成不良影响，连续梁中间支座处的负弯矩会因此变小，跨中部分的正弯矩值和端支座处的负弯矩值会受影响而变大，因此，下料的实际长度要将轴向变形的具体数值考虑在内。

三、高层建筑结构概念设计的基本原则

（一）在设计高层建筑的过程中，必须考虑其承载力、延伸性、柔软性、刚度等指标，并且通过各种细节设计和维护方式来提高高层建筑的承载力和刚度，并增大其延性。

（二）在设计高层建筑的结构时必须对其结构进行计算和分析，减少在施工过程中的误差，并且要选择简单直接的计算方式以便于清楚的展示各项数据。

（三）高层建筑突出屋面的塔楼必须具有足够的承载力和延性，以承受高振型产生的鞭梢效应影响。必要时可采用钢结构或型钢混凝土结构。

（四）设计过程中，要重视上部结构与地基之间的相互作用关系。保证地基基础的承载力，刚度和有足够的抗滑移，抗扭动能力，使整个高层建筑成为一个稳定的体系，防止产生过大的差异沉降和倾覆。

四、高层建筑结构体系

1.框架结构体系

建筑物内的梁柱在节点处连接，形成具有良好承载力的框架结构。但由于框架结构的横向刚度不足，非结构构件易受地震破坏，因此框架结构仅适用于首层建筑。除了上述侧向刚度不足的缺点外，框架结构还有许多优点。首先，平面设置灵活，立面设计可以改变。由于采用框架结构，整个建筑有大量可用空间，非常适合选择空间类型，如餐厅、商务室、教室、会议室和车间。可以确定是否使用较小的预制组件或更难以框架结构的成型模板进行现场浇筑。这是由于框架结构的简化。理想的构建方法是就地转换。一种具有较好抗震性能的方法。

2.剪力墙结构体系

高层建筑结构体系也具有侧向承载能力，但竖向和水平向荷载主要由剪力墙结构体系承载。高层建筑采用剪力墙结构具有优良的横向稳定性，高强度、高刚性、一体化的结构体系可以保证高层建筑在地震中的稳定性。通过对灾区建筑结构的考察，采用剪力墙结构体系的建筑物的震害相对较小，证明了实际剪力墙结构体系的抗震能力。一般来说，采用剪力墙结构体系的建筑施工应分为两侧。对于在地震多发地区使用剪力墙结构系统的建筑物，最佳高度为15层或更高。大多数情况下，如果地震发生地区的建筑结构不发生，剪力墙结构体系也可应用于140m高度的建筑。在我国目前的建筑结构体系中，高度在10～30层的建筑大多选择采用剪力墙建筑结构，以保证建筑的稳定性和安全性。在将剪力墙结构应用于建筑物时，注意一些要点。一是在剪力墙结构施工过程中，在保证施工质量的基础上，积极利用滑模、大框架等施工方式，加快施工速度。其次，施工时要精确控制墙间距，使间距不要过大。不利的一面是，剪力墙结构存在布局不灵活、自我约束等缺点。

3.框架抗震墙结构体系

框架剪力墙结构体系可以通过在框架结构中布置一定数量的剪力墙而形成框架剪力墙结构。该结构框架结构布局灵活，使用方便，但结构较大。由于其高刚度和抗震性，广泛用于高层建筑的写字楼和酒店由框架和剪力墙组成。另外，在框架剪力墙结构中，剪力墙的刚度较高，因此剪力墙承受了大部分水平力，成为抵抗侧向力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高。改进。框架承受垂直载荷，提供更大的使用空间，同时承受小块的水平力。中心的抗震墙也可以模制成圆柱形结构放置在里面，使得外柱的放置非常灵活。内管采用滑泡结构，外框柱截面积小，开孔大跨度大，非常适合当前建筑的设计要求。

4.管中管结构体系

管中管结构体系是高层建筑结构体系的重要组成部分，其主要功能是抵抗水平力。结构系统的结构主要包含一根或多根管子。结构强度这种多管体的水平承载能力足以满足高层建筑的要求，其优良的抗扭刚度也保证了建筑的稳定性。管中管结构系统包含许多基本形状。主要结构形状有框架管、实心腹板管和桁架管。

结束语:

总而言之，随着我国城市化进程的不断加快，高层建筑的应用越来越广泛。但是，高层建筑的设计仍然存在一些缺陷，因此我们需要熟悉高层建筑的功能和结构特点，才能灵活设计并不断提高结构解决方案的设计水平。

参考文献：

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