浅谈高层建筑结构设计

浅谈高层建筑结构设计董绪超（大连中安建筑集团有限公司辽宁省大连市116021）摘要：文章分析了高层建筑结构的特点；介绍高层建筑结构的设计原则；介绍了高层建筑的两种结构类型；介绍了目前应用最广泛地高层建筑的五大结构体系：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架—剪力墙（筒体）结构体系、筒体结构体系和多筒体系—成束筒及巨型框架结构。关键词：建筑结构；概念设计；结构体系中图分类号：TU3文献标识码：A随着人们生活水平的提高，建筑功能的多样化的发展，人们对建筑结构的设计都有着越来越高的要求，如何做好建筑设计是结构工程师在结构设计中需要考虑的重要问题。建筑结构设计中的概念设计首先要明确建筑结构设计的定义，它是指在结构工程师将实践中提炼出的各种结构元素通过语言表达出建筑从整体布置到技术和经济分析、以及计算、构造、制图等方面的工作，以达到建筑物经济、安全、耐久等功能的优化。一、高层建筑结构设计的特点结构要同时承受垂直荷载和水平荷载，还要抵抗地震作用。在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，通常可以忽略；在多层结构中，水平荷载的效应逐渐增大；而到高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素。高层建筑设计不仅需要较大的承载能力，而且需要较大的刚度，使水平荷载产生的侧向变形限制在一定范围内，这是因为：1.过大的侧向变形会使人不舒服，影响随使用。2.过大的侧向变形会使填充墙或建筑装修出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形。3.过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝，甚至损坏。4.过大的侧向变形会使结构产生附加内力，甚至引起倒塌。由于上述特点，高层建筑结构设计中，抗侧力结构的设计成为关键。欲使抗侧力结构具有足够的承载能力和刚度，又有好的抗震能，还要尽可能地提高材料利用率，降低材料消耗、节约造价，必须从选择结构材料、结构体系、基础形式等各方面着手，采用合理而可行的计算方法和设计方法，还要十分重视构造、连接等细部处理。二、高层建筑设计原则（一）钢筋混凝土高层建筑结构设计应与建筑、设备和施工密切配合，做到安全适用、技术先进、经济合理，并积极采用新技术、新工艺和新材料。（二）高层建筑结构设计应重视结构选型和构造，择优选择抗震及抗风性能好而经济合理的结构体系与平、立面布置方案，并注意加强构造连接。在抗震设计中，应保证结构整体抗震性能，使整个结构有足够的承载力、刚度和延性。三、高层建筑的结构类型钢和钢筋混凝土两种材料都是建造高层建筑的重要材料，但各自有着不同的特点。在当前的发展趋势中，更为合理的是同时采用钢和钢筋混凝土材料的混合结构，主要有两种形式：（一）用钢材加强钢筋混凝土构件。（二）部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢筋混凝土结构（或部分采用钢骨混凝土结构）。四、高层建筑的结构体系（一）框架结构体系由梁、柱构件组成的结构称为框架。整幢结构都由梁、柱组成，架再由连系梁连系起就称为框架结构体系，有时称为纯框架结构。它是高层建筑中常用的结构形式之一。1.框架结构体系优点是：建筑平面布置灵活，能获得大空间，建筑立面也容易处理，结构自重轻，计算理论也比较成熟，在一定高度范围内造价较低。2.框架结构的缺点是：框架结构本身柔性较大，抗侧力能力较差，在风荷载作用下会产生较大的水平位移，在地震荷载作用下，非结构构件破坏比较严重。梁柱截面惯性矩小，侧向变形较大，限制了框架结构大的使用高度。3.总结：在高度不大的高层建筑中，框架体系是一种较好的体系。当有变形性能良好的轻质隔断及外墙材料时，钢筋混凝土框架可建造到30层左右。由于框架结构能提供较大的建筑空间，平面布置灵活，可适合多种工艺与使用的要求，可广泛应用于办公、住宅、商店、医院、旅馆、学校及多层工业厂房和仓库中。（二）筒体结构体系随着建筑层数、高度的增长和抗震设防要求的提高，以平面工作状态的框架、剪力墙来组成高层建筑结构体系，往往不能满足要求。这时可以由剪力墙构成空间薄壁筒体，成为竖向悬臂箱形梁，加密柱子，以增强梁的刚度，也可以形成空间整体受力的框筒，由一个或多个筒体为主抵抗水平力的结构称为筒体结构。1．框筒结构中央布置剪力墙薄壁筒，由它受大部分水平力，周边布置大柱距的普通框架，这种结构受力特点类似框架—剪力墙结构，例如南宁市的地王大厦2．桁架筒将筒的四壁做成桁架，就形成桁架筒。与框筒相比，它更能节省材料。例如，1968年在芝加哥建成的约翰·汉考克大厦，采用钢桁架筒结构，100层大厦用钢量仅为1.45KN/M2。3.筒中筒结构筒中筒结构由内、外两个筒体组合而成，内筒为剪力墙薄壁筒，外筒为密柱（通常柱距不大于3米）组成的框筒。由于外柱很密，梁刚度很大，门密洞口面积小（一般不大于墙体面积50%），因而框筒工作不同于普通平面框架，而有很好的空间整体作用，类似一个多孔的竖向箱形梁，有很好的抗风和抗震性能。五、结束语建筑结构中结构体系的研究，将面向安全、经济、美观的空间结构。随着建筑结构体系研究所取得的新成果，一些新结构体系将发展起来，例如钢——混凝土组合的结构体系、张拉整体体系、杂交体系等，有些新的空间结构体系在国内基本上属于空白，有的研究则刚刚起步。21世纪的建筑结构选型将会千姿百态，21世纪高层建筑的防火研究将越来越严竣，21世纪建筑结构工程在抗震防灾领域里将会出现新的转变，从消极防震转变成积极抗震。越来越多的建筑结构设计问题在等待着我们去解决，我们应该积极研讨和求索21世纪土木系统中建筑结构的未来，尽管世界上将会出现可预见和预测不到的新形势、新工程、新理论、新成果，但土木系统中的建筑结构必将在人类科学技术进步的大道上日新月异的前进！参考文献1.包世华，《新编高层建筑结构》，中国水利水电出版社，2001年8月第一版2.唐兴荣，《高层建筑结构设计》，机械工业出版社，2007年1月第一版3.宋天齐，《多高层建筑结构设计》，重庆大学出版社，2003年7月第二版4.许晟，《土木系统工程》，机械工业出版社，2006年5月第一版