浅议高层建筑结构的设计特点与实例分析

王子明

摘 要：高层建筑水平在随着时代发展和建筑科学技术不断提高的基础上得以不断的完善，在现代的工程建筑中高层建筑身影已随处可见，人们对于高层建筑的工程质量和施工安全的关切度也与日俱增。下面文章将结合作者多年的工作实践经验，对高层建筑的工程的设计与结构进行分析讨论，以供参考。

关键词：高层建筑；结构；设计

Abstract: The article will combine with years of practical experience; engineering design and construction of high-rise buildings are analyzed and discussed, for reference.  Key words: high-rise buildings; structure; design

自十九世纪至今，高层建筑已逐步成为了建筑工程施工领域的主流趋势，特别是我国近年来随着经济的迅猛发展，以及城市化规模的不断壮大，高层建筑已在各行政区域内随处可见，并成为了一个城市发展水平的标志性参考准则。高层建筑工程的快速发展，不仅促进了城市化发展速度的加快，更促进了建筑工程技术领域的不断革新，随着国家和人们对于高层建筑的工程质量、施工标准、作业环境等的要求不断提升，高层建筑工程施工也面临了众多的机遇与挑战。下面本文将以一定的建筑实例为例，从高层建筑的建筑设计结构特点和剪力墙的设计两面进行简单的论述。

1 高层建筑工程的结构设计特点分析

高层建筑工程能否顺利的实施建设、其各项建设项目能否达到最优化的配置、各项建筑指标是否符合国家相关标准等的关键都在于高层建筑的结构设计阶段。作为重要的阶段性环节，为保证设计的合理性，在结构设计阶段需对结构的延性、水平荷载、建筑物的侧移、轴向变形等因素进行综合性考虑。

在对水平荷载因素进行分析设计时应注意以下两方面影响性因素：第一，一般而言在高度一定的建筑住宅工程的设计时，其竖向荷载值基本上为定制，当风荷载和地震作用作为其目标时，其荷载值将随着结构动力特性的变化而进行大幅度的变化；第二，因楼房自重与楼面的使用荷载的共同作用所形成的竖构件中的轴力、弯矩的数值与楼烦高度成正比；当水平荷载因对结构结构产生倾覆力矩而引起的竖构件中的轴力，则是与楼房高度的二次方成正比。

对于高层建筑的轴向变形，主要考虑构件剪力和侧移产生较大的影响，与考虑构件竖向变形相比较，会得出偏于不安全的结果。另外对于竖向荷载数值较大，能够在柱中引起较大轴向变形，从而对连续梁弯矩产生较大影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大，还会对预制构件的下料长度产生较大的影响，根据轴向变形计算值，对下料的长度进行调整。

关于高层结构还需要考虑建筑会出现的侧移现象，因为随着楼房高度的不断增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度内。与较低的楼房不同的是，结构侧移已经成为高楼结构设计中的关键因素。所以还需要了解结构的延性，为了使得建筑物牢固、可靠，具有很强的变形能力不会出现楼体倒塌等严重事故，就需要注意结构的延性。因为结构在进入塑性变形阶段后依然具有比较强的变形能力这就必须在构造上采取恰当的措施，以确保建筑结构具有足够的延性能力。相对较低的楼房，高楼结构在地震作用下的变形更大。

2 高层结构的剪力墙

很多人只看到高层建筑物，但还不明白其构造原理。现今的高层建筑，很多都是剪力墙构造的。那么什么是剪力墙呢？它有什么样的结构效能呢？一般建筑物中的竖向承重构件都是由墙体承担的，这种墙体既要承担水平构件传来的竖向重力，还要承担风力或地震作用传来的水平方向的地震作用力。剪力墙由此而生，这种墙体除了最基本的能避风避雨外，还能抗震。高层的剪力墙是建筑物的分隔墙和围护墙，在设计墙体的时候，要考虑平面布置和结构布置两方面的因素，需要同时满足这两方面的要求。高层建筑的剪力墙结构体系要求有很好的承载能力，并且要具有较好的整体性和空间性能，相对框架结构而言，剪力墙要有较好的抗侧能力，那么对于高层建筑就需要选用剪力墙结构。高层建筑的剪力墙结构优点有侧向刚度大，在水平荷载作用下侧移小，但是其缺点是剪力墙的间距有一定限制，建筑平面布置不是很灵活，不适合要求大空间的公共建筑，另外结构自重也较大，灵活性相对而言比较差。一般适用住宅、公寓和旅馆。剪力墙结构的楼盖结构一般采用平板，可以不设梁，所以空间利用比较好，可以节约一些高层建筑的成本。剪力墙所承受的竖向荷载，一般是结构自重和楼面荷载，通过楼面传递到剪力墙。竖向荷载除了在连梁（门窗洞口上的梁）内产生弯矩以外，在墙肢内主要产生轴力。可以按照剪力墙的受荷面积简单计算。框架结构和剪力墙结构，两种结构体系在水平荷载下的变形规律是完全不相同的。框架的侧移曲线是剪切型，曲线凹向原始位置；而剪力墙的侧移曲线是弯曲型，曲线凸向原始位置。在框架-剪力墙（以下简称框－剪）结构中，由于楼盖在自身平面内刚度很大，在同一高度处框架、剪力墙的侧移基本相同。这使得框-剪结构的侧移曲线既不是剪切型，也不是弯曲型，而是一种弯、剪混合型，简称弯剪型。假设有向右的水平力作用与结构，在结构底部，框架将把剪力墙向右拉；在结构顶部，框架将把剪力墙向左推。因而，框-剪结构底部侧移比纯框架结构的侧移要小一些，比纯剪力墙结构的侧移要大一些；其顶部侧移则正好相反。框架和剪力墙在共同承担外部荷载的同时，二者之间为保持变形协调还存在着相互作用。框架和剪力墙之间的这种相互作用关系，即为协同工作原理。

3 现实中高层建筑剪力墙设计的实例

高层剪力墙要考虑建筑物的布置、配筋结构、墙体钢筋配置、边缘构件的设置和合理的配筋因素，这些都是高层建筑中需要认真考虑的环节。对于高层建筑的剪力墙其布置要合理匀称，要求其整个建筑物的刚心和质心重合，至少要趋于重合，并且其水平方向的两个轴的刚重要比较接近。

关于高层建筑中剪力墙的布置必须均匀合理，使整个建筑物的质心和刚心趋于重合，且水平方向两个轴的两向的刚重比的值是比较接近的。我们设置一栋高层建筑时候，其结构布置必须要避免出现一字型的剪力墙，因为那样的墙抗震效果不理想，同时也注意不要出现长墙，长墙也不利抗震效果。应该避免楼面的主梁平面外搁置在剪力墙上，如果无法避免则需要将剪力墙的适当部位设置成暗柱，当梁的高度大于墙体的厚度的 2.5 倍时，就必须计算暗柱的配筋参数，由于高层建筑物的转角处应力比较集中，如果可以的话两个方向都要布置成长墙，所以高层建筑物的转角处的墙肢应该尽可能的长。

对于墙体的配筋，结构要设置得合理才能控制剪力墙的配筋，这么做可以节约建筑成本，且安全耐用。高层建筑剪力墙的墙体配筋，一般要求水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧，这样便于施工。同时其配筋要能满足计算和规范建议的最小配筋率要求。对于剪力墙体的边缘构件，要求对于一、二级的抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件。对于普通的剪力墙，其暗柱配筋满足规范要求的最小配筋率，为了能保证质量和安全，根据个人经验建议对于加强区应该加强0.7%，而一般的部位应该加强0.5%。但是，对于短肢的剪力墙，控制配筋率加强区应该加强 1.2%，其一般部位应该加强 1.0%。特别注意，对于小墙肢其受力性能较差，应严格按高规控制其轴压比，宜按框架柱进行截面设计，并应控制其纵向钢筋配筋率加强区应该加强1.2%，一般部位应该加强1.0%；而对于一个方向长肢另一方向短肢的墙体，设计中往往就按长肢墙进行暗柱配筋。

参考文献

[1]曹静,陈兰.某高位转换层框支剪力墙结构设计与分析[A].庆祝刘锡良教授八十华诞暨第八届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C],2008.

[2]He Hai -bin ~(1,2) Song Juan ~(1,2) Zhang Ming ~1 Shen Pu -sheng~1 (1.Hunan University Civil Engineering Dep.Changsha Hunan410082 2.Urban School Dep.of Shaoyang College,Shaoyang Hunan422001). 给定烈度下剪力墙结构的抗侧刚度优化及其应用[A].第 17届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅲ册）[C],2008.