王敬東

摘要：本文主要是分析高層建筑結構的六大特點，并且對目前國內高層建筑的四大結構體系進行介紹，四大結構體系包括：剪力墻結構、簡體結構、框架結構以及框架剪力墻結構。

關鍵詞：結構設計；高層建筑；建筑設計

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：B 文章編號：1674-3954（2013）21-0136-02

1 前言

自從我國進行改革開放以來，我國建筑行業(yè)的發(fā)展突飛猛進，近十幾年以來，我國己建成的高層建筑有數萬棟之多，建筑總面積達2億m²，其中具有代表性的建筑包括：廣州的中天廣場，共80層，高達322m；上海的金茂大廈，共88層，高達420.5m；深圳的地王大廈，共81層，高達325m；以及在南寧市也建起廣西第一高樓：地王國際商會中心，共54層，高達206.3m。隨著城市化發(fā)展進程的加快，國內的高層建筑不斷涌現(xiàn)，作為一名建筑設計人員，必須要充分地理解高層建筑結構的特點以及高層建筑結構的體系，只有這樣才能保證高層建筑設計達到經濟合理、確保質量、技術先進和安全適用的原則。

2 高層建筑結構的設計特點

高層建筑結構的設計與低層或者多層建筑結構設計相比，在建筑的各專業(yè)中結構專業(yè)占有更為重要的位置，選擇了不同的結構體系，直接會影響到建筑的平面布置、樓層高度、施工技術的要求、投資造價的高低、立面體形、機電管道的設置和施工工期長短等等。其主要的特點包括以下幾個方面：

2.1 側移成了控指標

高層建筑與低層或者多層建筑不同，高層建筑的結構側移己成了高層建筑結構設計的一個關鍵因素。隨建筑高度的增加，在水平荷載的作用下，結構的側向形變會因此迅速增大，結構的這種變形與建筑高度的4次方成正比例的關系。（△=qH⁴/8EI）

除此之外，隨著高層建筑高度的增加、新的建筑形式以及結構體系的出現(xiàn)、輕質高強材料的應用和側向位移的迅速增大，在設計過程中不僅要求建筑結構具有足夠的強度，而且還要求結構具有足夠的抗推剛度，使得建筑結構在水平荷載的作用下所產生的側移被控制在一定的限度內，否則就會產生下述的情況：

（1）使得居住在房子里的人員感到不適或者驚慌。

（2）使得建筑的主體結構構件出現(xiàn)較大的裂縫，甚至損壞。

（3）側移會產生的較大的附加內力，特別是豎向的構件，當側向位移增大的時候，偏心就會加劇，當側移所產生的附加內力超過了某一數值時，會導致房屋出現(xiàn)側塌的現(xiàn)象。

（4）使得填充墻或者建筑裝飾損壞或者開裂，損壞機電設備管道，使得電梯軌道發(fā)生形變從而導致其不能正常運行。

2.2 減輕自重在高層建筑中比在多層建筑中更為重要

減輕自重在高層建筑中比在低層或者多層建筑中更有意義。從樁基承載力或者地基承載力來考慮，如果在相同的地基或者樁基的情況下，減輕建筑的自重就意味著在不增加基礎造價以及相關處理措施的情況下，可以多建幾層，這對于軟弱的土層有著突出的經濟效益。

地震效應與建筑的重量成正比例關系，減輕建筑的自重可以有效地提高建筑結構的抗震能力。高層建筑的重量過大，在地震發(fā)生時作用于建筑結構上的地震剪力大，而且高層建筑的重心較高，地震作用傾覆力矩較大，這樣會對豎向的構件產生很大的附加軸力，最終導致附加彎矩變得更大。

2.3 概念設計與理論計算同等重要

建筑的抗震設計可分為概念設計以及計算設計兩個部分。高層建筑結構的抗震設計計算是建立在一定的假設條件下的，盡管分析原則在不斷完善，分析的手段在不斷提高，但是由于地震對建筑作用的不確定性以及復雜性，建筑結構體系本身的復雜性以及地基影響的復雜性，可能會導致理論的計算數值與實際情況相差好幾倍，特別是當建筑結構進入到彈塑性階段以后，結構構件會出現(xiàn)局部開裂，嚴重時甚至還會造受損壞，在這個時候，結構已經很難再利用常規(guī)的計算原理對其進行分析。經實踐表明，在進行高層建筑設計的過程中，把握好概念設計也是非常重要的。

2.4 水平力是在設計過程中考慮的主要因素

在低層或者多層建筑的結構中，在一般情況下都是以重力為代表的豎向荷載對結構的設計起著控制的作用。而在高層建筑當中，盡管以重力為代表的豎向荷載對結構的設計依然會產生重要的影響，但水平荷載才對高層建筑的結構設計起到決定性的作用。因為建筑的自重以及樓面的使用荷載以豎向構件所產生的彎矩和軸力的數值，只和建筑高度的一次方成正比例關系；然而水平荷載對建筑結構所產生的傾覆力矩以及因此于豎向構件中產生的軸力，與建筑高度的二次方成正比例關系。在另一個方面，對于一定高度的建筑，豎向荷載一般情況下是一個定值，而作為水平荷載的地震作用以及風荷載，其數值的大小會隨著建筑結構動力性的不同而產生較大的變化。

2.5 對抗震設計的要求更高

在對具有抗震設防的高層建筑結構進行設計時，除了需要考慮在正常使用過程中豎向荷載以及風荷載以外，還必須讓建筑結構具有良好的抗震能力，達到小震不壞，大震不倒的要求。

2.6 軸向變形不可以忽視

采用框架剪力墻體系和框架體系的高層建筑，其框架中柱的軸壓應力一般情況下都會大于邊柱的軸壓應力，中柱中所形成的軸向壓縮變形往往大于邊柱的軸向壓縮變形。當建筑的高度很高時，這種軸向變形的差異就會達到一個較大的數值，其結果就相于連續(xù)梁中間支座沉陷，使得連續(xù)梁中間支座的負彎矩減小，端支座負彎矩值和中正彎矩值增大。

3 高層建筑的結構體系

3.1 高層建筑結構的設計原則

（1）高層建筑的結構設計應該重視結構的構造與選型，優(yōu)先選擇抗風和抗震能力好而且經濟效益良好的結構體系以及平、立面布置方案，并且還要加強對構件的連接。在進行抗震設計的過程中，應該確保結構整體的抗震性能，從而使得建筑的整體結構具有足夠的承載力、延性和剛度。

（2）鋼筋混凝土高層建筑的結構設計應該要與建筑、施工和設備相互配合，做到經濟合理、技術先進、安全適用，并且要積極應用新的材料、新的工藝以及新的技術。

3.2 高層建筑結構體系的應用范圍

目前，我國的高層建筑基本上都是采用鋼筋混凝土結構，其結構體系包括以下幾種：剪力墻結構、簡體結構、框架結構以及框架一剪力墻結構等。

（1）剪力墻結構體系。為了提高高層建筑結構的抗側力鋼度，便在高層建筑中設置鋼筋混凝土墻體，這種墻體就被稱為“剪力墻”。剪力墻的主要作用就是為了提高建筑整體的抗剪強度以及剛度，同時，墻體也被用作于維護以及分格房間的構件。

在剪力墻結構當中，由鋼筋混凝土墻體來承受所有的水平荷載以及豎向荷載，剪力墻沿橫向和縱向兩個方向正交布置，或者沿多軸線進行斜交布置，剪力墻結構的鋼度大，空間的整體性比較好，還可以節(jié)省鋼的用量。在過去的地震中，剪力墻結構的抗震性能都表現(xiàn)良好，震害的發(fā)生也較少，而且破壞程度也較為輕微，在旅館客房和住宅中采用剪力墻結構可以很好地適應墻體多、面積不大的特點，而且還可以讓房間不露梁柱，讓房間更為整齊美觀。

剪力墻結構具有墻體較多的特點，不容易布置大面積的房間，為了能夠滿足旅館房間布置餐廳、會議室以及門廳等大面積公共用房的要求，滿足了在住宅樓底層布置公共設施以及商店的要求，在部分底層或者部分層可以用框架代替剪力墻，從而形成一種框支剪力墻結構。

在框支剪力墻這種結構中，底層柱子的剛度比較小，導致上下的剛度發(fā)生突變，在地震的作用之下，底層的柱子會產生較大的內力以及較大的塑性變形，所以，這種框支剪力墻結構不允許被應用于地震區(qū)。

（2）簡體結構體系。隨建筑高度和層數的增加，以及對抗震設防要求的提高，用平面工作狀態(tài)的剪力墻和框架來構成高層建筑的結構體系，通常情況下都無法滿足要求。在這個時候可以用剪力墻來組成空間薄壁簡體，形成豎向懸臂箱形梁，增加柱子的密度，從而增強梁的剛度，還可以構成整體受力的框筒，用一個或者多個簡體為主來抵抗水平荷載的結構被稱為簡體結構。簡體結構包括以下幾種型式：

①筒中筒結構。這種結構是由內、外兩個簡體構成，內筒是剪力墻簿壁筒，而外筒就是由密柱組成的框筒。因為外柱的密度較大，而梁的剛度也很大，門洞的面積較小，所以框筒的工作與普通的平面框架不同，具有很好的空間整體作用，就像一個多孔豎向箱形梁，具有很好的抗震和抗風能力。

⑦巨型結構體系。這種結構體系是由若干根巨型柱子（往往是由大面積的實體柱子或者電梯井組成）及巨梁（每間隔幾層或者數十層設置一道，梁的橫截面在一般情況占1～2層樓的高度）構成一組的巨型框架，承受主要的水平荷載和豎向荷載，其他樓面的柱子和梁便組成二級結構，二級結構只是把樓面的荷載傳遞給一級框架結構。在這種結構中的二級結構的柱梁截面比較小，從而使得建筑的布置具有很大的靈活性。

③框架簡體結構。在中央設置剪力墻簿壁筒，由它來承受大部分的水平荷載，在周邊布上大柱距的普通框架，框架簡體結構的受力特點跟框架剪力墻結構的受力特點很像，目前，我國南寧市的地王大廈就是采用這種結構。

④成束筒結構。在平面上布置多個剪力墻薄壁簡體，每一個簡體都比較小，成束筒結構比較多地應用于平面形狀復雜的建筑。

（3）框架結構體系。這種結構體系基礎、梁、柱以及樓板四種承重構件組成。由梁、柱、基礎組成平面框架，作為主要的承重結構，然后再把各平面框架梁連接起來，這樣就形成了一個空間結構體系，這種結構體系是高層建筑中常見的結構形式之一。這種結構體系的優(yōu)點就是：平面的布置比較靈活，可以得到大空間，建筑立面的處理比較容易，建筑結構的自重較輕。

（4）框架-剪力墻結構體系。在框架結構體系的基礎上再設置一定數量的剪力墻便構成了框架剪力墻結構體系?？蚣?剪力墻結構體系既有框架結構體系使用方便和布置靈活的特點，同時具有較強的抗震能力和剛度，所以這種結構體系被廣泛應用于高層建筑中的旅館和辦公樓。

4 結束語

除了上述所介紹的幾種結構體系外，還有其他很多類型，如：懸索、網架、薄殼以及膜結構等等，但是目前應用最為廣泛的還是以上四種：剪力墻結構、簡體結構、框架結構以及框架一剪力墻結構。隨著城市化發(fā)展進程的加快，國內的高層建筑不斷涌現(xiàn)，作為一名建筑設計人員，必須要充分地理解高層建筑結構的特點以及高層建筑結構的體系，只有這樣才能保證高層建筑設計達到經濟合理、確保質量、技術先進和安全適用的原則。

參考文獻

[1]蔡紹懷，鋼管混凝土結構的計算與應用，中國建筑工業(yè)出版社，2010，09

[2]鐘善桐，鋼管混凝土結構，黑龍江科學技術出版社，2012，11