浅析高层建筑结构设计

邹彬

摘要：本文介绍了高层建筑结构设计的特点、剪力墙的设计和在建筑实例中的应用，对施工人员有一定的借鉴意义。

关键词：建筑结构；设计

Abstract: This paper describes the characteristics of high-level design in building structures, design of shear walls and in the instance of building, construction workers have some reference.Key words: building structure; design

中图分类号：TU2文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

高层建筑在其结构设计阶段十分重要，需要考虑水平荷载、轴向变形、建筑物的侧移、结构的延性等方面的因素。

1 高层建筑结构设计特点

上海金茂大厦是当年世界第三高楼，但现在的中国，建筑高度超过一百零四米的建筑超过了一百多栋，主要在我国的北京、上海、广州和深圳等城市，其中以上海最多。

在十九世纪美国的芝加哥保险公司大楼是当时世界上的第一幢高层建筑，自此以后高层建筑越来越多，从二十世纪初至二十世纪七十年代末，世界上超过两百米的高层建筑多达五十多栋楼，多数在美国。而现在高层建筑在其他国家也越来越多了。

对于水平荷载需要注意两个方面的因素，其一，对于一定高度楼房，竖向荷载基本上是定值，作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值随结构动力特性的不同而有大的幅度的变化。另外一方面，因为楼房的自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，与楼房高度成正比，而水平荷载对结构产生倾覆力矩，及由此在竖构件中引起的轴力，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] 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.

赵玮

【摘要】本文围绕高层建筑结构，总结了高层建筑结构设计的特点，提出了高层建筑结构分析和各种体系相对应的方法，简单阐述了高层建筑结构设计应注意的问题。

【关键词】高层建筑结构 ，结构体系， 剪力墙 ，高层建筑结构设计问题

【 abstract 】 this paper around high-rise building structure, summarizes the characteristics of high building structure design, and put forward the high-rise building structure analysis and various system corresponding methods, this paper briefly expounds the high-rise building structural design problems should be paid attention to.

【 key words 】 high-rise building structure, structure, the shear wall, high-rise building structural design problem

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

一、 高层建筑结构设计的特点

高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑建设的各项事宜等。其主要特点有：

(一)水平力是设计主要因素

在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为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，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。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

(二)侧移成为控制指标

与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键凶素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与建筑高度H的4次方成正比(△=qH4／8EI)。另外，高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗推刚度，否则会产生以下情况：

1．因侧移产生较大的附加内力，尤其是竖向构件，当侧向位移增大时，偏心加剧，当产生的附加内力值超过一定数值时，将会导致房屋侧塌。

2．使居住人员感到不适或惊慌。

3．使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，使机电设备管道损坏，使电梯轨道变型造成不能正常运行。

4．使主体结构构件出现大裂缝，甚至损坏。

(三)抗震设计要求更高

有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。

(四)轴向变形不容忽视

采用框架体系和框架——剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种轴向变形的差异将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁巾间支座沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。

二、高层建筑的结构体系

(一)框架一剪力墙体系。当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架一剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架一剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架一剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

(二)剪力墙体系。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架一剪力墙体系。

三、高层建筑结构分析

(一)．高层建筑结构分析的基本假定

1．弹性假定。目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，往往会产生较大的位移，进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的，应按弹塑性动力分析方法进行设计。

2．小变形假定。

小变形假定也是各种方法普遍采用的基本 假定。但有不少人对几何非线性问题(P一△效应)进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移△与建筑物高度H的比值A／H>1／500时，P—A效应的影响就不能忽视了。

3．刚性楼板假定。

许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。

4．计算图形的假定。

高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：①一维协同分析。②二维协同分析。③三维空间分析。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度。

(二)高层建筑结构静力分析方法

1．框架一剪力墙结构。框架一剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。框架一剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。

2．剪力墙结构。剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。但因其自由度较多，机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。

四、高层建筑结构设计应注意的问题

(一)考虑受力性能

对于一个建筑物的最初的方案设计，建筑师考虑更多的是它的空间组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。

(二)提倡使用概念设计

所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题巾，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的经济可靠性能。同时，也是判断计

算机内力分析输LH数据可靠与否的主要依据。近十余年来我国的高层建筑建设可谓突 猛进，其建设速度和建造数量在世界建筑史上都是少有的。但是，从设计质量方面来看却不

容乐观，多数设计追赶流行时尚。闶此在实际中应考虑长远因素。

参考文献：

【1】黄子云、袁志华：《高层建筑结构设计》，1998年12月第1版

【2】许克宾：《结构设计原理》，1995年1月第1版

【3】傅学怡：《实用高层建筑结构设计》，中国建筑工业出版

【4】朱炳炎：《建筑结构设计问答及分析》，中国建筑工业出版社

【5】《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。