论文部分内容阅读
摘要：伴随着经济飞速发展，与人均土地资源的日益减少，越来越多的高层建筑如雨后春笋搬出现。本文主要针对高层建筑的结构设计方面展开的一系列的探讨，同时，通过有效结合工程中的实例，探讨更加合理的结构体系对高层建筑结构设计中的重要意义。
关键词：高层建筑；结构设计；结构方案；合理性
中图分类号：TU208文献标识码： A
引言：我国各地的高层建筑通过迅速的发展，不仅在数量上与越来越多，在层数也丝毫不示弱，现在，上海环球金融中心己达到101层，高度达492m。随着高层建筑的不断发展以及高层建筑功能的愈加复杂，高层建筑结构在设计上的难度也是与日俱增，所以对高层建筑结构设计方面的研究应运而生。
一、高层建筑的常见结构类型以及设计特点
1.框架结构
框架结构是高层建筑最先开始所采用的结构类型。框架结构是由梁和柱通过铰接或钢接相连接而成的。框架结构体系所构建的建筑空间优点是灵活性较大，但缺点是由于框架结构中的梁柱截面的小面积，导致在抗震方面的劣势，所以，此结构较适合用在抗震要求较低的小型建筑中。
2.剪力墙结构
剪力墙结构即为用钢筋混凝土墙板来承受水平方向与竖向方向上的力的结构。剪力墙结构一般会采用平面布置的形式，同时，由于剪力墙同时受水平荷载和竖向荷载两方面的力，所以，剪力墙一般进行的均为双向或多向布置。另一方面，钢筋混凝土墙板的竖向布置，也使整体具有了很好的侧向稳定性，所以较适合于高的建筑。但剪力墙结构的受力体系需要满足的要求是间距，从这点来说，剪力墙结构就限制了建筑空间的灵活分布。
3.框剪结构
框架结构和剪力墙结构组合形成的结构体系就叫框剪结构。该结构是以框架结构为主，剪力墙结构为辅的一种混合结构。两者通过融合在一定程度上弥补了各自的缺陷，在我国较高层建筑中得到广泛应用。框剪结构剪力墙布置原则：
（1）剪力墙应均匀布置在建筑物的周边附近，楼梯间，电梯间，平面形状及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大；
（2）平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙；
（3）纵横剪力墙宜组成L行，T形等形式；
（4）单片剪力墙底部承担的水平剪力不应超过结构底部承受总剪力的30%；
（5）剪力墙宜贯通建筑物的全高，宜避免刚度突变；剪力墙开洞是，洞口宜上下对齐；
（6）楼，电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置；
（7）抗震设计时，剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近。
4.筒体结构
筒体结构是由竖向的筒体去承受水平和竖向两个方向荷载的一种结构体系，它是由框架结构和剪力墙结构演变而来的。筒体结构由于它的封闭性使得它在受力方面更强，使得建筑的高度进一步地增加。
5.组合结构与其它巨型结构
随着建筑高度的不断加大，同时为了满足建筑使用功能的要求，不同的结构形式也进行了形式的融合，形成了组合结构体系，例如框架-核心筒结构。另外特巨型结构(巨型支 撑、巨型梁、巨型柱)也开始崭露头角。
二、高层建筑结构设计特点
1.水平方向荷载大
众所周知，每个建筑都需要承受着很大的竖直荷载与水平荷载，还有地震对建筑物造成的不利影响。但是在低层和多层建筑结构中，一般的重力荷载就是其主要因素，而水平方向的荷载却较小，同时导致的侧向位移也较小。在高层建筑结构中，起决定作用的还是水平方向的荷载，且随着建筑层数及高度的不断增加，水平方向的荷载作用所产生的内力以及位移会迅速增大。
2.轴向变形
由结构力学可知，计算结构构件位移的公式为：
高层建筑的弯矩是非常重要的一个控制因素。通过上述公式，我们可知，由于高层建筑的多层数，导致轴的力度的数值也非常高，并且，沿高度所积累形成的一些轴向变形分外明显，对连续性弯矩来说，在利用框架结构和框架剪力墙结构的高层建筑中，中柱所承受的轴压力都会比边柱所承受的的大，高层建筑中，这种轴向变形的差别数值非常高，并会使连续的梁之间的支座弯矩数值变小，跨中的正弯矩的数值增大。同时，在剪力墙结构中，当剪力墙的抗震等级为三级时，轴压比不能超过0.6。
3.侧移特性
结构的侧移是高层建筑结构设计中的一个关键因素，水平荷载作用下，结构的侧向变形会随着楼层的增加而迅速增大，相关公式如下：
水平均布荷载
水平倒三角形荷载
高层建筑在结构设计的时候，在要求结构有足够的强度使之能够有效地承受水平作用产生内力的同时；还要有足够的抗侧的刚度，才能使结构在水平左右下产生的侧移控制在规范规定的范围之内，从而保证良好的居住、工作环境。
4.结构延性特点
高层建筑在地震中，其结构会产生更大的变形。为了使建筑经过塑性的变形之后还能具有较强的形变的能力，从而有效避免建筑坍塌，在设计的时候，就应通过有效的措施，确保建筑拥有良好的延性。
三、高层建筑结构设计的优化
1.高层建筑结构的抗风设计
因为高层建筑结构的第一自振周期与场地地面周期相差较大，故地震的作用对它的影响远比风荷作用力小，如图所示。
一般的高层、超高层建筑在结构设计前均应该做两次风洞试验。第一次是结合建筑物周围环境模型作建筑模型各侧面及顶部的风压系数的测试，同时要考虑不同方向的风。第二次是模型的刚度试验以测定结构物的顺风向和横风向的振动频率和加速度。同时还注意使用者的舒适程度，具体的人体风振反应分级标准如下表所示。
现代高层、超高层建筑减少侧向振幅的办法是采用各类被动阻尼器和带弹粘滞材料的阻尼装置。前者多设置在建筑物的顶部，例如悬吊一个质量（可利用装置于顶层的设备或水箱等），使其摆动时的自振周期接近或相等于建筑物的第一自振周期。利用悬挂质量的惯性来抵消建筑结构的部分振幅，从而保证建 筑物内工作人员工作时的舒适感。例如，美国的纽约世界贸易中心大厦在各层楼板的钢桁架托梁上的下弦两端安装了粘弹性阻尼器，效果很好。此外，还有一种主动调频阻尼器是在建筑物产生振动时能自动产生与风振或地震作用相反方向的侧力以减少建筑物的振幅。悉尼电视塔曾在使用了主动减振阻尼器，能很好地限制了它的第一和第二振型的振幅，取得了良好的效果。但由于主动调频阻尼器的复杂性、高造价也使得这种做法还没有普及。
2.结构抗震设计的优化
抗震是高层建筑物结构设计必须考虑的重点内容，其设计的功能性需求比较强，其优化设计的内容如下：
（1)提高建筑物结构设计的规则性，合理设置抗侧力构件的位置，以此形成承载力的合理性分布体系，通过相关的地震资料总结，发现抗侧力构件能够使得高层建筑物的结构在平面布置时处于对称的状态，在一定程度上，可以满足结构抗震的需求。
（2)地基的抗震设计，地基沉降现象是地震时建筑物结构破坏的直接原因，当地基发生沉降的时候，建筑物的结构会发生开裂等破坏。所以，一方面要简化建筑物的建筑平面，减少阴角的平面布 置，将外部形状和高度存在差异性的建筑物以栋为单位分割，提高地基的刚度和强度，另一方面则是将桩箱埋置在一定的深度内，将群桩、上部结构重点控制在同一直线上。
（3)剪力墙的结构设计，提高承重结构构件的抗侧力，满足承载力的延续性和耗能能力，有效地提高抗震效果。一方面通过与连续梁组成延续性较强的结构体系，保证楼板的刚度，另一方面提高结构侧面的强度，最大限度控制建筑物的水平位移范围。
四、对髙层建筑结构进行设计的实例分析
该建筑高度65.7m，地上十六层，地下两层。地上一到六层分别为酒店的大堂、会议室、餐厅、夜总会等，地下两层为地下车库及设备用房，七层到十六前后退台形成酒店客房标准层。抗震设防烈度为七度，设计基本地震加速度为0 15g，抗震设计分组属第一组，设计特征周期值为0. 30S。结构采用（RC)框架-剪力墙结构。
该工程因建筑平面一到六层的布局都不同，地下有大空间要求的地下车库及联结上下层的汽车坡道，导致既满足上下层剪力墙对齐而又不影响建筑功能的剪力墻布置位置极少。经多轮试算,最终找到剪力墙合理布置方法，最终结构设计顺利完成,一至六层及标准层结构布置详见下图。剪力墙布置原则如下：
1尽量将剪力墙布置在电梯间、楼梯间等较大洞口之周围,特别是纵向的三道剪力墙均布置在交通核处；
2将能上下贯通布置剪力墙而又不影响建筑平面功能的仅有的几个位置墙肢作得长一点（但每一墙肢的宽度均小于8m);
3将横向剪力墙尽可能布置在外墙处，并尽量将横向剪 力墙布置均匀、对称、分散，如横向剪力墙布于一、六轴交C~ D轴处,剪力墙尽量靠近D轴以缓解C~ E轴部份建筑中间无 法布置剪力墙的困局；
4电梯井道处纵横向剪力墙连接成口字形以获得较大的纵、横向抗推刚度和受弯承载力；
5同一横向轴线上的两片剪力墙利用各层的框架梁组成 双肢墙以获得较大的横向抗推刚度和受弯承载力；
6横向剪力墙布置在平面上对称布置，使结构的抗推刚 度中心尽量与质量中心相靠近，以减少地震时结构的扭转振动；
7任一剪力墙在底层所承受的弯矩和剪力均不应超过整 个结构同方向底层总倾覆力矩和剪力的40%M。
经验算轴压比、楼层最大位移与层高之比及Tt/T1周期比等标均符合规定。
结语
面对技术的飞速进步、越来越高的建筑、越来越复杂的结构体系以及建筑的平面功能，结构工程师在机构设计中的选型、结构布置方面（结构方案的合理性方面)面临着越来越多的挑战。我们只有本着经济合理、技术先进的原则,才能在满足建筑使用功能及结构安全的前题下解决遇到的每一个难题。
参考文献
[1]梅洪元.付本臣.中国高层建筑创作理论发展研究[R].高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2002.
[2]黎春瑜；张德龙，试论高层建筑结构设计的特点与设计要点[J]，城市建设， 2010 (27)
[3]刘大海，杨翠如.高层建筑结构方案优选[M].北京：中 国建筑工业出版社，1996.
[4]唐维新，顾蕙若.高层建筑结构简化分析与实用设计 [MJ .北京：中国建筑工业出版社，1994.
关键词：高层建筑；结构设计；结构方案；合理性
中图分类号：TU208文献标识码： A
引言：我国各地的高层建筑通过迅速的发展，不仅在数量上与越来越多，在层数也丝毫不示弱，现在，上海环球金融中心己达到101层，高度达492m。随着高层建筑的不断发展以及高层建筑功能的愈加复杂，高层建筑结构在设计上的难度也是与日俱增，所以对高层建筑结构设计方面的研究应运而生。
一、高层建筑的常见结构类型以及设计特点
1.框架结构
框架结构是高层建筑最先开始所采用的结构类型。框架结构是由梁和柱通过铰接或钢接相连接而成的。框架结构体系所构建的建筑空间优点是灵活性较大，但缺点是由于框架结构中的梁柱截面的小面积，导致在抗震方面的劣势，所以，此结构较适合用在抗震要求较低的小型建筑中。
2.剪力墙结构
剪力墙结构即为用钢筋混凝土墙板来承受水平方向与竖向方向上的力的结构。剪力墙结构一般会采用平面布置的形式，同时，由于剪力墙同时受水平荷载和竖向荷载两方面的力，所以，剪力墙一般进行的均为双向或多向布置。另一方面，钢筋混凝土墙板的竖向布置，也使整体具有了很好的侧向稳定性，所以较适合于高的建筑。但剪力墙结构的受力体系需要满足的要求是间距，从这点来说，剪力墙结构就限制了建筑空间的灵活分布。
3.框剪结构
框架结构和剪力墙结构组合形成的结构体系就叫框剪结构。该结构是以框架结构为主，剪力墙结构为辅的一种混合结构。两者通过融合在一定程度上弥补了各自的缺陷，在我国较高层建筑中得到广泛应用。框剪结构剪力墙布置原则：
（1）剪力墙应均匀布置在建筑物的周边附近，楼梯间，电梯间，平面形状及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大；
（2）平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙；
（3）纵横剪力墙宜组成L行，T形等形式；
（4）单片剪力墙底部承担的水平剪力不应超过结构底部承受总剪力的30%；
（5）剪力墙宜贯通建筑物的全高，宜避免刚度突变；剪力墙开洞是，洞口宜上下对齐；
（6）楼，电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置；
（7）抗震设计时，剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近。
4.筒体结构
筒体结构是由竖向的筒体去承受水平和竖向两个方向荷载的一种结构体系，它是由框架结构和剪力墙结构演变而来的。筒体结构由于它的封闭性使得它在受力方面更强，使得建筑的高度进一步地增加。
5.组合结构与其它巨型结构
随着建筑高度的不断加大，同时为了满足建筑使用功能的要求，不同的结构形式也进行了形式的融合，形成了组合结构体系，例如框架-核心筒结构。另外特巨型结构(巨型支 撑、巨型梁、巨型柱)也开始崭露头角。
二、高层建筑结构设计特点
1.水平方向荷载大
众所周知，每个建筑都需要承受着很大的竖直荷载与水平荷载，还有地震对建筑物造成的不利影响。但是在低层和多层建筑结构中，一般的重力荷载就是其主要因素，而水平方向的荷载却较小，同时导致的侧向位移也较小。在高层建筑结构中，起决定作用的还是水平方向的荷载，且随着建筑层数及高度的不断增加，水平方向的荷载作用所产生的内力以及位移会迅速增大。
2.轴向变形
由结构力学可知，计算结构构件位移的公式为：
高层建筑的弯矩是非常重要的一个控制因素。通过上述公式，我们可知，由于高层建筑的多层数，导致轴的力度的数值也非常高，并且，沿高度所积累形成的一些轴向变形分外明显，对连续性弯矩来说，在利用框架结构和框架剪力墙结构的高层建筑中，中柱所承受的轴压力都会比边柱所承受的的大，高层建筑中，这种轴向变形的差别数值非常高，并会使连续的梁之间的支座弯矩数值变小，跨中的正弯矩的数值增大。同时，在剪力墙结构中，当剪力墙的抗震等级为三级时，轴压比不能超过0.6。
3.侧移特性
结构的侧移是高层建筑结构设计中的一个关键因素，水平荷载作用下，结构的侧向变形会随着楼层的增加而迅速增大，相关公式如下：
水平均布荷载
水平倒三角形荷载
高层建筑在结构设计的时候，在要求结构有足够的强度使之能够有效地承受水平作用产生内力的同时；还要有足够的抗侧的刚度，才能使结构在水平左右下产生的侧移控制在规范规定的范围之内，从而保证良好的居住、工作环境。
4.结构延性特点
高层建筑在地震中，其结构会产生更大的变形。为了使建筑经过塑性的变形之后还能具有较强的形变的能力，从而有效避免建筑坍塌，在设计的时候，就应通过有效的措施，确保建筑拥有良好的延性。
三、高层建筑结构设计的优化
1.高层建筑结构的抗风设计
因为高层建筑结构的第一自振周期与场地地面周期相差较大，故地震的作用对它的影响远比风荷作用力小，如图所示。
一般的高层、超高层建筑在结构设计前均应该做两次风洞试验。第一次是结合建筑物周围环境模型作建筑模型各侧面及顶部的风压系数的测试，同时要考虑不同方向的风。第二次是模型的刚度试验以测定结构物的顺风向和横风向的振动频率和加速度。同时还注意使用者的舒适程度，具体的人体风振反应分级标准如下表所示。
现代高层、超高层建筑减少侧向振幅的办法是采用各类被动阻尼器和带弹粘滞材料的阻尼装置。前者多设置在建筑物的顶部，例如悬吊一个质量（可利用装置于顶层的设备或水箱等），使其摆动时的自振周期接近或相等于建筑物的第一自振周期。利用悬挂质量的惯性来抵消建筑结构的部分振幅，从而保证建 筑物内工作人员工作时的舒适感。例如，美国的纽约世界贸易中心大厦在各层楼板的钢桁架托梁上的下弦两端安装了粘弹性阻尼器，效果很好。此外，还有一种主动调频阻尼器是在建筑物产生振动时能自动产生与风振或地震作用相反方向的侧力以减少建筑物的振幅。悉尼电视塔曾在使用了主动减振阻尼器，能很好地限制了它的第一和第二振型的振幅，取得了良好的效果。但由于主动调频阻尼器的复杂性、高造价也使得这种做法还没有普及。
2.结构抗震设计的优化
抗震是高层建筑物结构设计必须考虑的重点内容，其设计的功能性需求比较强，其优化设计的内容如下：
（1)提高建筑物结构设计的规则性，合理设置抗侧力构件的位置，以此形成承载力的合理性分布体系，通过相关的地震资料总结，发现抗侧力构件能够使得高层建筑物的结构在平面布置时处于对称的状态，在一定程度上，可以满足结构抗震的需求。
（2)地基的抗震设计，地基沉降现象是地震时建筑物结构破坏的直接原因，当地基发生沉降的时候，建筑物的结构会发生开裂等破坏。所以，一方面要简化建筑物的建筑平面，减少阴角的平面布 置，将外部形状和高度存在差异性的建筑物以栋为单位分割，提高地基的刚度和强度，另一方面则是将桩箱埋置在一定的深度内，将群桩、上部结构重点控制在同一直线上。
（3)剪力墙的结构设计，提高承重结构构件的抗侧力，满足承载力的延续性和耗能能力，有效地提高抗震效果。一方面通过与连续梁组成延续性较强的结构体系，保证楼板的刚度，另一方面提高结构侧面的强度，最大限度控制建筑物的水平位移范围。
四、对髙层建筑结构进行设计的实例分析
该建筑高度65.7m，地上十六层，地下两层。地上一到六层分别为酒店的大堂、会议室、餐厅、夜总会等，地下两层为地下车库及设备用房，七层到十六前后退台形成酒店客房标准层。抗震设防烈度为七度，设计基本地震加速度为0 15g，抗震设计分组属第一组，设计特征周期值为0. 30S。结构采用（RC)框架-剪力墙结构。
该工程因建筑平面一到六层的布局都不同，地下有大空间要求的地下车库及联结上下层的汽车坡道，导致既满足上下层剪力墙对齐而又不影响建筑功能的剪力墻布置位置极少。经多轮试算,最终找到剪力墙合理布置方法，最终结构设计顺利完成,一至六层及标准层结构布置详见下图。剪力墙布置原则如下：
1尽量将剪力墙布置在电梯间、楼梯间等较大洞口之周围,特别是纵向的三道剪力墙均布置在交通核处；
2将能上下贯通布置剪力墙而又不影响建筑平面功能的仅有的几个位置墙肢作得长一点（但每一墙肢的宽度均小于8m);
3将横向剪力墙尽可能布置在外墙处，并尽量将横向剪 力墙布置均匀、对称、分散，如横向剪力墙布于一、六轴交C~ D轴处,剪力墙尽量靠近D轴以缓解C~ E轴部份建筑中间无 法布置剪力墙的困局；
4电梯井道处纵横向剪力墙连接成口字形以获得较大的纵、横向抗推刚度和受弯承载力；
5同一横向轴线上的两片剪力墙利用各层的框架梁组成 双肢墙以获得较大的横向抗推刚度和受弯承载力；
6横向剪力墙布置在平面上对称布置，使结构的抗推刚 度中心尽量与质量中心相靠近，以减少地震时结构的扭转振动；
7任一剪力墙在底层所承受的弯矩和剪力均不应超过整 个结构同方向底层总倾覆力矩和剪力的40%M。
经验算轴压比、楼层最大位移与层高之比及Tt/T1周期比等标均符合规定。
结语
面对技术的飞速进步、越来越高的建筑、越来越复杂的结构体系以及建筑的平面功能，结构工程师在机构设计中的选型、结构布置方面（结构方案的合理性方面)面临着越来越多的挑战。我们只有本着经济合理、技术先进的原则,才能在满足建筑使用功能及结构安全的前题下解决遇到的每一个难题。
参考文献
[1]梅洪元.付本臣.中国高层建筑创作理论发展研究[R].高层建筑与智能建筑国际学术研讨会，2002.
[2]黎春瑜；张德龙，试论高层建筑结构设计的特点与设计要点[J]，城市建设， 2010 (27)
[3]刘大海，杨翠如.高层建筑结构方案优选[M].北京：中 国建筑工业出版社，1996.
[4]唐维新，顾蕙若.高层建筑结构简化分析与实用设计 [MJ .北京：中国建筑工业出版社，1994.