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高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系徐慧

发表时间：2021/4/26 来源：《基层建设》2020年第33期作者：徐慧

[导读] 摘要：在城市化的进程中，城市人口的不断增长导致其和建筑用地的规模限制之间产生了严重矛盾，为了利用有限的土地来承载更多人口需要不断地促进建筑高度提升，这样就导致了当前的城市化过程中大量的高层建筑工程开始被规划和建造。

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        摘要：在城市化的进程中，城市人口的不断增长导致其和建筑用地的规模限制之间产生了严重矛盾，为了利用有限的土地来承载更多人口需要不断地促进建筑高度提升，这样就导致了当前的城市化过程中大量的高层建筑工程开始被规划和建造。高层建筑具有土地利用率高、功能更加完备齐全等优点，但是不断增长的高度也必然需要更加先进的建造技术来进行支撑，从而保证高层建筑的整体结构强度和韧度，这样的话才可以保证高层建筑的建造和使用安全，由此，文章展开高层建筑的设计和建设结构分析。
        关键词：高层建筑；结构；概念设计；结构体系分析
        一、高层建筑结构设计的特点
        高层建筑结构设计的特点可以从水平荷载、结构延性、侧向位移、轴向变形等方面分析。
        （一）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。
        （二）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。
        （三）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。
        （四）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。
        二、高层建筑概念设计的基本原则
        （一）在设计高层建筑的过程中，必须考虑其承载力、延伸性、柔软性、刚度等指标，并且通过各种细节设计和维护方式来提高高层建筑的承载力和刚度，并增大其延性。
        （二）在设计高层建筑的结构时必须对其结构进行计算和分析，减少在施工过程中的误差，并且要选择简单直接的计算方式以便于清楚的展示各项数据。
        （三）高层建筑突出屋面的塔楼必须具有足够的承载力和延性，以承受高振型产生的鞭梢效应影响。必要时可采用钢结构或型钢混凝土结构。
        （四）设计过程中，要重视上部结构与地基之间的相互作用关系。保证地基基础的承载力，刚度和有足够的抗滑移，抗扭动能力，使整个高层建筑成为一个稳定的体系，防止产生过大的差异沉降和倾覆。
        三、高层建筑的结构体系
        高层建筑结构体系是指高层建筑的所有构件以一种什么样的方式排列，才能更好的抵制外力的侵袭。在一般情况下，高层建筑结构体系的考察指标是抵抗水平力，而具体的结构体系一般有框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、筒体结构体系等。
        （一）框架结构体系
        框架结构体系是指高层建筑中的梁、柱构件通过节点连接后，能够有效的承受荷载。多用于高度相对较低的高层建筑中，此外还用于钢结构和钢筋混凝土结构中。框架体系结构的优点在于建筑平面布置灵活，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。但是它也存在抗侧力能力差，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等缺点。如果进行合理的框架结构体系设计，可以使之具有良好的抗震性能。

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此外，框架结构构件类型少，易于标准化、定型化；可以采用预制构件，也易于采用定型模板而做成现浇结构，有时还可以采用现浇柱及预制梁板的半现浇半预制结构。现浇结构的整体性好，抗震性能好，在地震区应优先采用。
        （二）剪力墙结构体系
        在高层建筑中为了提高房屋结构的抗侧力刚度，在其中设置的钢筋混凝土墙体称为“剪力墙”，剪力墙的主要作用在于提高整个房屋的抗剪强度和刚度，墙体同时也作为维护及房间分格构件。
        剪力墙结构中，由钢筋混凝土墙体承受全部水平和竖向荷载，剪力墙沿横向纵向正交布置或沿多轴线斜交布置，它刚度大，空间整体性好，用钢量省，所以剪力墙在抗震结构中也称抗震墙。在发生地震时剪刀墙结构可以减少伤害，且程度比较轻微。同时剪力墙结构采用大模板或滑升模板等先进方法施工时，施工速度很快，可节省大量的砌筑填充墙等工作量。
        由于剪力墙结构的墙面较多，所以其墙间距不能太大，否则会导致平面布置不灵活，难以满足公共建筑的使用要求。因此，为了满足旅馆布置门厅、餐厅、会议室等大面积公共用房的要求，以及在住宅楼底层布置商店和公共设施的要求，可以将部分底层或部分层取消剪力墙代之以框架，形成框支剪力墙结构。当把底层做成框架柱时，成为框支剪力墙结构。这种结构体系，由于底层柱的刚度小，上部剪力墙的刚度大，形成上下刚度突变，在地震作用下底层柱会产生很大的内力及塑性变形，致使结构破坏较重。
        （三）框架－剪力墙结构体系
        框架－剪力墙结构体系是指在框架结构中布置一定数量的剪力墙，可以组成框架—剪力墙结构，这种结构既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，因而广泛地应用于高层建筑中的办公楼和旅馆由框架和剪力墙组成。此外，在框架－剪力墙结构中，由于剪力墙刚度大，剪力墙承担大部分水平力，是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承受竖向荷载，提供较大的使用空间，同时承担少部分水平力。还可以把中间部分的剪力墙形成筒体结构，布置在内部，外部柱子的布置就可以十分灵活；内筒采用滑模施工，外围的框架柱断面小、开间大、跨度大，很适合现在的建筑设计要求。
        （四）筒体结构体系
        筒体结构体系是指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。它通常有以下几种类型：框架—筒体结构、筒中筒结构、实腹筒、等。尽管筒体结构体系的种类十分多，但是总的来说其最主要的特点是相同的，是它的空间受力性能，所以不论哪一种筒体结构，在水平力作用下都可看成固定于基础上的箱形悬壁构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有良好的抗扭刚度。
        结束语
        城市化的不断推进决定着城市建筑高层化会是一种长期趋势，这样的一种趋势既可以对城市化的发展起到很好的推动作用，也可能会给人们的生命财产安全带来严重的安全威胁。所以说，为了更好地发挥出高层建筑在推动城市化进程中的作用，需要相关的人员对高层建筑的结构进行综合有效的分析并且在这个基础上开展有效的设计，这样，通过更加有效的结构设计和建造来为高层建筑的建设和使用提供有效的安全性保障，从而促进城市的更好发展。为了更好的进行高层建筑结构设计，相关的设计人员一定要对相关的高层建筑结构特点和相关结构体系加以有效了解和把握，在这样的基础上对建筑结构进行合理的设计，最终的目标是保证结构强度和稳定性，从而为整个建筑提供有效支撑。
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