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高层建筑结构体系设计的特点及应用方案

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：马忠山

[导读] 摘要：随着科学技术的发展，高强轻质材料的出现以及机械化、电气化在建筑中的实现等，为高层建筑的发展提供了技术条件和物质基础。

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       摘要：随着科学技术的发展，高强轻质材料的出现以及机械化、电气化在建筑中的实现等，为高层建筑的发展提供了技术条件和物质基础。高层建筑结构是形成高层建筑功能和高层建筑质量的重要结构基础，特别是在高层建筑出现高大化和复杂化的今天，更应该做好对建筑结构的控制工作。本文就高层建筑结构体系设计的特点及应用方案进行分析研究，以供参考。
       关键词：高层建筑；结构体系；应用
       1、高层建筑结构设计的特点
       1.1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。
       1.2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。
       1.3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。
       1.4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。
       2、高层建筑结构应用具体方案
       2.1结构体系的合理化选用
       在选择高层建筑结构体系的过程中需要注意如下几点：第一，从其高度出发选择合适的抗侧力结构体系。第二，确保整体抗侧力结构体系的完整性。举个例子，在使用纵横的墙体结构的时候需要确保诸多墙体尽量形成一个桶装体系。第三，如果在这个过程中需要做到多种类型的抗侧力结构体系的组合使用，就需要针对使用的每一种结构体系对建筑做出的贡献进行单独的计算，同时各个结构体系自身的抗震防线予以明确，并且对各个体系的受力情况进行实际的计算，确保各个结构体系的作用的完整发挥以及保障其稳定性。第四，建筑物自身的混凝土强度以及厚度需要尽量保持不变，如果必须进行变化，二者也只可以变动一个。第五，加强层选择刚度有限的，这样做的目的就是为了防止在加强层出现突变的情况下导致相接的两个楼层部分薄弱问题的出现。第六，在选择相应的建筑结构体系的过程中除了安全因素之外，还需要将建筑企业的建设周期考虑其中，而在施工工期上占据着绝对优势的就是钢结构，而当前使用频率较高的钢筋混凝土结构在长度以及稳定性相对较好，但是部分需要内置的钢筋混凝土构件却是需要较长的施工周期。

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       2.2重力传递的荷载路径予以关注
       在选择高层建筑结构体系的过程中，重力荷载路径需要做到如下的几点入手：第一，高层建筑内部的重力荷载传递路径需要做到明确的掌握。第二，在设计楼板布置方案的时候，需要将建筑工程整体以及建筑物内部的装饰和设施等因素进行综合性质的考虑，从建物自身的实际需求出发选择最为合适的配置。第三，江南施工周期考虑在内，在重力荷载进行传递的时候可以将楼板和钢架梁二者结合在一起进行使用。除此之外，考虑到建筑物自身的稳定性以及结构自重需要合理的问题，可以在施工中适当的加入空腔平板。第四，在设计承重梁以及承重柱的过程中需要遵循相应的梁弱柱强的原则，与此同时还需要将楼板内部的钢筋是否可以承受衡量两端带来的承载力考虑其中。此外，承重量自身弯矩的过程中也需要做到将承重柱自身宽度带来的影响考虑其中。第五，属于高层建筑类型的超高层建筑中使用频率较高的转换层结构形式就是梁式、斜柱转换式等等。但是这诸多类型中使用次数最多还是斜柱转换以及桁架两种形式。在这两种方式之下的建筑工程自身地方受力情况与其他形式相比要更加的合理。如果在建筑结构体系中使用了多种荷载转换路径，如此一来就要求设计人员通过仿真模拟软件的帮助来展开相应的计算或者是仿真模拟工作。同时还需要考虑到在转换路径的差异影响下彼此相邻的楼层在受力情况上是否连续。第六，如果是使用框架—核心筒结构体系，就需要在深层考虑计算框架和核心筒在受到压力之后诞生的形变差值之后，从建筑工程的实际需求以及成本投入出发选择铰接或者是横加斜腹杆进行连接。
       2.3水平以及风荷载的计算
       因为高层建筑在高度上相对较高，在其自身重力因素的影响下在其竖直的方向上就会诞生一定的弯矩以及轴力，并且这个弯矩和轴力也会随着建筑物自身高度的增加而增加，并最终影响到建筑工程自身的水平荷载。在水平荷载力度过大的情况下，就会导致高层建筑的倾覆弯矩逐渐增大，当达到一定数值的时候就会产生危险。基于此在计算高层建筑物自身承载力的时候需要将百年重现期的风荷载作为数据参考，而在计算高层建筑结构的形变中需要将五十年重现期的风荷载作为参考数据，如果还需要对高层建筑物自身的舒适程度进行计算就需要将十年重现期的风荷载作为数据参考，在建筑超过两百米的情形下，设计人员则必须要严格按照相关的规范和标准要求进行风洞试验。
       2.4设计上的三维层次
       这里的三维层次射进指的就是将建筑整体视为一个三维空间块体，随后将之进行层次化的分析，对于一些复杂程度较高的高层建筑来说，也同样可以使用这个方式将进行层次化分析，分别针对倾覆、刚度以及承载力等问题进行分析，最后将之组装起来。首先就可以将设计方案进行概念化处理，将一个完全符合建筑空间三维形式的空间方案予以建立。此后需要展开的工作就是总体建筑结构体系的荷载和抗力之间的关系、高宽比值和抗倾覆性、承载力以及刚度等之间的关系进行深入的分析，同时针对这些体系之间的关系进行预估。对于高层建筑的整体结构而言，也必然是诸多平面单元的集合。由此看来，在设计的初步阶段之中，需要将方案进行扩展，把那些体现初步设计需求并且主要倾向于二维平面的体系囊括进来，以此作为设计参考进行水平和竖直方向上的子体系的总体设计工作。而在设计的最后阶段中，就是施工图纸的设计阶段中，就需要将一维性质的构件设计进行处理，并将各个子体系中的构件、连接以及构造详细图纸进行具体细致的设计工作，并对上一个环节中的全部大致决定给予细化操作。
       结束语
       人类生活和社会生产发展到今天，高层建筑结构的出现已经成为一种必然，当前的建筑科技正在不断发展，形成了高层建筑结构的功能化和大型化的趋势。对高层建筑结构的特点的分析以及高层建筑框架体系应用方案的分析可以有效的保证在高层建筑结构设计中提高建筑的安全合理性和经济性。
       参考文献：
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       [2]张向荣，祖青.平面不规则高层建筑结构体系的选择[J].工程建设与设计，2019（07）：23-25.
       [3]张树辉，侯世谨.浅析我国高层结构的发展现状和趋势[J].四川水泥，2019（02）：333.