论文部分内容阅读
摘要：本文通过分析高层建筑的现状，总结了高层建筑结构的设计特点，并简要论述了现有的各种结构体系及其优缺点，最后探讨了高层建筑的分析方法，从而进一步完善高层建筑结构设计，促进高层建筑的发展。
关键词：高层建筑设计；结构体系；计算与分析
随着高层建筑在我国的迅速发展，复杂的不规则高层建筑越来越多，如何正确进行结构设计和结构计算，以满足新规范的要求，也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。
一、高层建筑的结构体系
（一）框架一剪力墙体系
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因此成为高层建筑的主要结构形式。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。。
（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。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。剪力墙结构的不足之处在于，平面布置的灵活性较差，使用上也受到一定限制。目前全国各地的大量高层住宅建筑，绝大多数均采用剪力墙结构。
（三）简体体系
筒体结构是近年来发展起来的新体系，凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，它的出现满足了高层建筑更高层数的要求，包括单简体、简体一框架、筒中筒、多束筒等多种形式。简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。
二、 高层建筑结构设计特点
（一）因为在高层建筑中结构处于竖向荷载和水平荷载的共同作用下工作
而楼房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值，仅与楼房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引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；随着建筑物高度的增加，高宽比的加大，尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响，但水平荷载对结构产生的内力愈来愈大，将成为结构设计时的主要控制因素，起着决定性的作用，成为确定结构体系的关键性因素。因此，结构的设计是由水平荷载控制的。在水平荷载中，地震作用是动力作用，而风力作用则包含静力作用和动力作用。高层建筑对风的动力作用比较敏感，风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在地震区，高层建筑往往受地震作用控制，所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑分析的重要内容。
（二）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，跨中正弯矩和湍支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整：另外对构件剪力和侧移产生影响，会得出偏于不安全的结果。
（三） 位移成为控制指标
高层建筑尤其是超高层建筑,顶点位移限值决定的不仅是其数值大小而且还有其振动频率;防止结构由于变形过大而可能遭受损坏或破坏的控制因素是层间相对位移,而其限值在现行规范中似偏严,可予放松。
（四）结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言，高层建筑结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。因此,设计时结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小,变化均匀,连续,不要变。当出现了竖向不规则结构时,我们应考虑多种因素的精确分析方法,最好进行弹塑性时程分析,合理确定软弱楼层的塑性集中变形,采取增大楼层结构延性等措施,提高其变形能力。同时,高层建筑的抗水平力构件应沿房屋周边布置,以便能提供足够大的扭转力矩构件沿周边布置形成空间结构后,也可提供较大的抗倾覆力矩来保证结构具有足够的延性。
三、高层建筑结构设计应注意的问题
（一）结构选型
对于高层建筑结构而言，在工程设计的结构选型阶段应注意以下几点：
1、结构的规则性问题
新旧规范在这方面的内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。而且，新规范采用强制性条文明确规定“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。
2、结构的超高问题
对于超高限建筑物, 应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下,超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加, 许多影响因素将发生质变, 即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围, 如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。
3、嵌固端的设置问题
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，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,在这个问题上，结构设计工程师需要注意如下几个方如：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
（二） 地基与基础设计
对高层建筑来说，在抗震设计中，房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。不仅仅由于该阶段设计过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行，同时，也是地基基础整个工程造价的决定性因素，在这一阶段，所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。由于我国占地面积较广，地质条件相当复杂，地基基础设计规范无法对全国各地的地基基础都进行详细的描述和规定，因此，作为建立在国家标准之下的地方标准，地方性的“地基基础设计规范”能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确，所以，在进行地基基础设计时，一定要对地方规范进行深入地学习，以避免对整个结构设计或后期设计工作造成较大的影响。
（三）结构计算与分析
在结构计算与分析阶段，如何准确，高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理，首先基本选定结构方案后,紧接着就是高层结构设计的核心部分——结构计算由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分内容进行了调整和改进。因此，对这一阶段比较常见的问题应该有一个清晰的认识。接着根据所选取的结构体系,选用准确的结构模型和选取正确的结构设计软件通用的计算软件有SATWE、TAT、TBSA等，结构计算开始前,设计人员先要根据规范的具体规定和软件手册对参数意义的描述,以及根据工程的实际情况,对结构参数和特殊构件进行正确设置。
1、周期折减系数
在高层结构中设置了非结构的砌体填充墙, 在结构计算时应考虑其对主体结构的影响。周期的折减应考虑到门窗洞口的设置对周期的影响,不同的结构类型和填充墙的多少也决定了周期折减系数的取值, 而不能一概而论。
2、振型数目是否足够
阵型数的多少与结构的层数有关, 对振型的取值都有较为明确的规定。在新规范中增加一个振型参与系数的概念，并明确提出了该参数的限值。因此, 在计算分析阶段, 根据规范要求对计算结果进行判断, 并决定是否要调整振型数目的取值
四、结束语
总之，高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往復的过程，高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析， 多做方案比较。否者任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。
关键词：高层建筑设计；结构体系；计算与分析
随着高层建筑在我国的迅速发展，复杂的不规则高层建筑越来越多，如何正确进行结构设计和结构计算，以满足新规范的要求，也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。
一、高层建筑的结构体系
（一）框架一剪力墙体系
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因此成为高层建筑的主要结构形式。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。。
（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。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。剪力墙结构的不足之处在于，平面布置的灵活性较差，使用上也受到一定限制。目前全国各地的大量高层住宅建筑，绝大多数均采用剪力墙结构。
（三）简体体系
筒体结构是近年来发展起来的新体系，凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，它的出现满足了高层建筑更高层数的要求，包括单简体、简体一框架、筒中筒、多束筒等多种形式。简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。
二、 高层建筑结构设计特点
（一）因为在高层建筑中结构处于竖向荷载和水平荷载的共同作用下工作
而楼房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值，仅与楼房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引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；随着建筑物高度的增加，高宽比的加大，尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响，但水平荷载对结构产生的内力愈来愈大，将成为结构设计时的主要控制因素，起着决定性的作用，成为确定结构体系的关键性因素。因此，结构的设计是由水平荷载控制的。在水平荷载中，地震作用是动力作用，而风力作用则包含静力作用和动力作用。高层建筑对风的动力作用比较敏感，风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在地震区，高层建筑往往受地震作用控制，所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑分析的重要内容。
（二）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，跨中正弯矩和湍支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整：另外对构件剪力和侧移产生影响，会得出偏于不安全的结果。
（三） 位移成为控制指标
高层建筑尤其是超高层建筑,顶点位移限值决定的不仅是其数值大小而且还有其振动频率;防止结构由于变形过大而可能遭受损坏或破坏的控制因素是层间相对位移,而其限值在现行规范中似偏严,可予放松。
（四）结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言，高层建筑结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。因此,设计时结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小,变化均匀,连续,不要变。当出现了竖向不规则结构时,我们应考虑多种因素的精确分析方法,最好进行弹塑性时程分析,合理确定软弱楼层的塑性集中变形,采取增大楼层结构延性等措施,提高其变形能力。同时,高层建筑的抗水平力构件应沿房屋周边布置,以便能提供足够大的扭转力矩构件沿周边布置形成空间结构后,也可提供较大的抗倾覆力矩来保证结构具有足够的延性。
三、高层建筑结构设计应注意的问题
（一）结构选型
对于高层建筑结构而言，在工程设计的结构选型阶段应注意以下几点：
1、结构的规则性问题
新旧规范在这方面的内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。而且，新规范采用强制性条文明确规定“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。
2、结构的超高问题
对于超高限建筑物, 应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下,超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加, 许多影响因素将发生质变, 即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围, 如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。
3、嵌固端的设置问题
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，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,在这个问题上，结构设计工程师需要注意如下几个方如：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
（二） 地基与基础设计
对高层建筑来说，在抗震设计中，房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。不仅仅由于该阶段设计过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行，同时，也是地基基础整个工程造价的决定性因素，在这一阶段，所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。由于我国占地面积较广，地质条件相当复杂，地基基础设计规范无法对全国各地的地基基础都进行详细的描述和规定，因此，作为建立在国家标准之下的地方标准，地方性的“地基基础设计规范”能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确，所以，在进行地基基础设计时，一定要对地方规范进行深入地学习，以避免对整个结构设计或后期设计工作造成较大的影响。
（三）结构计算与分析
在结构计算与分析阶段，如何准确，高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理，首先基本选定结构方案后,紧接着就是高层结构设计的核心部分——结构计算由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分内容进行了调整和改进。因此，对这一阶段比较常见的问题应该有一个清晰的认识。接着根据所选取的结构体系,选用准确的结构模型和选取正确的结构设计软件通用的计算软件有SATWE、TAT、TBSA等，结构计算开始前,设计人员先要根据规范的具体规定和软件手册对参数意义的描述,以及根据工程的实际情况,对结构参数和特殊构件进行正确设置。
1、周期折减系数
在高层结构中设置了非结构的砌体填充墙, 在结构计算时应考虑其对主体结构的影响。周期的折减应考虑到门窗洞口的设置对周期的影响,不同的结构类型和填充墙的多少也决定了周期折减系数的取值, 而不能一概而论。
2、振型数目是否足够
阵型数的多少与结构的层数有关, 对振型的取值都有较为明确的规定。在新规范中增加一个振型参与系数的概念，并明确提出了该参数的限值。因此, 在计算分析阶段, 根据规范要求对计算结果进行判断, 并决定是否要调整振型数目的取值
四、结束语
总之，高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往復的过程，高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析， 多做方案比较。否者任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。