有关高层建筑结构设计问题的探究
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摘要：随着城市化进程加速发展，全国各地的高层建筑不断涌现，作为工程结构设计人员，必须充分对高层建筑结构设计充分了解，只有这样才能使设计达到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的基本原则。
关键词：高层建筑结构设计 特点 结构体系南北异同
一．高层建筑结构设计特点
（一） 高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构设计相比较，结构专业在各专业中占有更重要的地位，不同结构体系的选择直接关系到建筑平面布置，立面体形，楼层高度，机电管道的设置，施工技术的要求，施工工期的长短和投资造价的高低。
（二） 水平力是设计的主要因素。在低层和多层房屋结构中，水平力产生的影响较小，以低抗竖向荷为主，侧向位移小，通常忽略不计。在高层建筑结构中，随着高度的增加，水平力（风荷载或水平地震作用）产生的内力和位移迅速增大。把房屋结构看成一根最简单的竖向悬臂构件，轴力与高度成正比；水平力产生的弯矩与高度的二次方成正比；水平力产生的侧向顶点位移与高度的四次方成正比；
竖向荷载产生的轴力
N=WH
水平力产生的弯矩
均布荷载`M=1/2QH^2`
倒三角形分布荷载 `M=(QH^2)/(3)`
水平力产生的顶点侧向位移
均布荷载 `Δ=(11QH^4)/(120EI)`
式中EI为竖向构件弯曲刚度。
（三）高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力和刚度，使结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规范规定的范围内.因此,高层建筑结构所需的侧向刚度由位移控制.
结构的侧向位移过大将产生下列后果:
1)使结构因P-Δ效应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,将会导致房屋的倒塌;
2)使居住的人员感到不适或惊慌.在风荷载作用下,如果侧向位移过大,必将引起居住人员的不舒服,影响正常工作和生活.在水平地震作用下,当侧向位移过大,更会造成人们的不安和惊吓;
3)使填充墙或建筑装饰开裂或损坏,使机电设备管道遭受损坏,使电梯轨道变形造成不能正常运行;
4)使主体结构构件出现较大裂缝,甚至损坏.
(四)高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义.从地基承载力或桩基承载力考虑,如果在同样地基或桩基情况下,减轻房屋自重意味着不增加基础的等份和处理措施,可以多建层数,这在软弱土层上有突出的经济效益.
地震效应是与建筑的质量成正比,减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法.高层建筑中质量大了,不仅作用于结构上的地震剪力大,还由于重心高地震作用倾覆力矩大,对竖向构件产生很大的附加轴力,P-Δ效应造成附加弯矩更大.
因此,在高层建筑房屋中,结构构件宜采用高强度材料,非结构构件和围护墙体应采用轻质材料.减轻房屋自重,即减小了竖向荷载作用下构件的内力,使构件截面变小,又可减小结构刚度和地震效应,不但能节省材料,降低造价,还能增加使用空间.
(五) 在高层建筑的抗风设计中,应保证结构有足够承载力,必须具有足够的刚度;控制在风荷载作用下的位移值,保证有良好的居住和工作条件;外墙(尤其是玻璃幕墙)、窗玻璃、女儿墙及其他围护和装饰构件，必须有足够的承载力，并与主体结构有可靠的连接，防止房屋在风荷载作用下产生局部损坏。
（六） 有抗震设防的高层建筑，应进行详细勘察，摸清地形、地质情况，选择位于开阔平坦地带，具有坚硬场地土或密实均匀中硬场地土的对抗震有利的地段；尽可能避开对建筑抗震不利的地段，如高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡、河岸和边坡，较弱土、易液化土、故河道、断层破碎带，以及土质成因、岩性、状态明显不均匀的情况等；任何情况下均不得在抗震危险的地段上建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物。
（七）地基基础的承载力和刚度要与上部结构的承载力和刚度相适应。当上部结构与基础连接部位考虑受弯承载力增大时，相邻基础结构及上部结构嵌固部位的地下室结构，应考虑弯矩增大的作用。
（二）高层建筑结构体系及适用范围
目前国内的高层建筑基本上采用钢筋混凝土结构。其结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架―剪力墙结构、筒体结构等。
1）.框架结构体系。框架结构体系是由楼板、梁、柱及基础四种承重构件组成。由梁、柱、基础构成平面框架，它是主要承重结构，各平面框架再由连系梁连系起来，即形成一个空间结构体系，它是高层建筑中常用的结构形式之一。
框架结构体系优点是：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。
框架结构的缺点是：框架结构本身柔性较大，抗侧力能力较差，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。
框架结构的适用范围：框架结构的合理层数一般是6到15层，最经济的层数是10层左右。由于框架结构能提供较大的建筑空间，平面布置灵活，可适合多种工艺与使用的要求，已广泛应用于办公、住宅、商店、医院、旅馆、学校及多层工业厂房和仓库中。
2）.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。历史地震中，剪力墙结构表现了良好的抗震性能，震害较少发生，而且程度也较轻微，在住宅和旅馆客房中采用剪力墙结构可以较好地适应墙体较多、房间面积不太大的特点，而且可以使房间不露梁柱，整齐美观。
剪力墙结构墙体较多，不容易布置面积较大的房间，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。
在框支剪力墙中，底层柱的刚度小，形成上下刚度突变，在地震作用下底层柱会产生很大内力及塑性变形，因此，在地震区不允许采用这种框支剪力墙结构。
3）.框架―剪力墙结构体系。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。
4）.筒体结构体系。随着建筑层数、高度的增长和抗震设防要求的提高，以平面工作状态的框架、剪力墙来组成高层建筑结构体系，往往不能满足要求。这时可以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的结构称为筒体结构。通常筒体结构有：
（1）框架―筒体结构。中央布置剪力墙薄壁筒，由它受大部分水平力，周边布置大柱距的普通框架，这种结构受力特点类似框架―剪力墙结构，目前南宁市的地王大厦也用这种结构。
（2）筒中筒结构。筒中筒结构由内、外两个筒体组合而成，内筒为剪力墙薄壁筒，外筒为密柱（通常柱距不大于3米）组成的框筒。由于外柱很密，梁刚度很大，门密洞口面积小（一般不大于墙体面积50%），因而框筒工作不同于普通平面框架，而有很好的空间整体作用，类似一个多孔的竖向箱形梁，有很好的抗风和抗震性能。目前国内最高的钢筋混凝土结构如上海金茂大厦（88层、420.5米）、广州中天广场大厦（80层、320米）都是采用筒中筒结构。
（3）成束筒结构。在平面内设置多个剪力墙薄壁筒体，每个筒体都比较小，这种结构多用于平面形状复杂的建筑中。
（4）巨型结构体系。巨型结构是由若干个巨柱（通常由电梯井或大面积实体柱组成）以及巨梁（每隔几层或十几个楼层设一道，梁截面一般占一至二层楼高度）组成一级巨型框架，承受主要水平力和竖向荷载，其余的楼面梁、柱组成二级结构，它只是将楼面荷载传递到第一级框架结构上去。这种结构的二级结构梁柱截面较小，使建筑布置有更大的灵活性和平面空间。
除以上介绍的几种结构体系外，还有其他一些结构形式，也可应用，如薄壳、悬索、膜结构、网架等，不过目前应用最广泛的还是框架、剪力墙、框架―剪力墙和筒体等四种结构。
三．南北方在高层建筑结构的设计上的异同：
南北方在高层建筑结构的设计上的差异较大，比方：
（一）北方着重保温，宜采用塔式高层； 南方着重通风，宜采用板式高层。
（二）北方多内廊 阳台遮阳不重要； 南方多外廊 阳台遮阳重要
（三）北方不宜大片玻璃窗 ；南方宜大片玻璃窗
（四）北方 屋顶天台用处不大 ；南方屋顶天台可做很好的花园。
（五）北方的外墙学问很多值得研究； 南方的外墙，围护而已，好看就行
高层建筑存在诸多问题，高难度，高技术，高风险，这些都需要大量技术工作人员去解决，以保证工程的质量。
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