摘要：本文探討高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)首先必須以其不同結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生的影響為依據(jù)，選擇最為合理的方案。

　　關(guān)鍵詞：高層建筑,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),原則,特點(diǎn),體系

　　1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

　　適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工是進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則。一個(gè)優(yōu)秀的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往是這五個(gè)方面的最佳結(jié)合。完美的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是在努力追求這五個(gè)方面的最佳結(jié)合的過(guò)程中產(chǎn)生的,適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員最終努力的目標(biāo),是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳體現(xiàn)。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般在建筑設(shè)計(jì)之后,“受制”于建筑設(shè)計(jì),但又“反制”于建筑設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能破壞建筑設(shè)計(jì),應(yīng)滿足、實(shí)現(xiàn)各種建筑要求;高層建筑設(shè)計(jì)不能超出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力范圍,不能超出安全、經(jīng)濟(jì)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定高層建筑設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn),從這個(gè)意義上講,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得更為重要,雖然一棟標(biāo)志性建筑物建成后,人們只知道建筑師的名字,但一個(gè)適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是工程師們的驕傲和成就。

　　2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

　　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)在各專(zhuān)業(yè)中占有更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、施工技術(shù)的要求、施工工期長(zhǎng)短和投資造價(jià)的高低等。

　　2.1 水平力是設(shè)計(jì)主要因素

　　在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因?yàn)榻ㄖ灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比(N=WH);而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比(水平均布荷載：M=1/2qH2，水平倒三角形荷載：M=1/3qH2)，如圖一示。另一方面，對(duì)一定高度建筑來(lái)說(shuō)，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力性的不同而有較大的變化。

　　2.2 側(cè)移成為設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)與低層或多層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移成為高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大，與建筑高度H 的4 次方成正比：

　　此外，高層建筑隨著高度的增加、輕質(zhì)高強(qiáng)材料的應(yīng)用、新的建筑形式和結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)、側(cè)向位移的迅速增大，在設(shè)計(jì)中不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，還要求具有足夠的抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某一限度之內(nèi)，否則會(huì)產(chǎn)生以下情況：①因側(cè)移產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，尤其是豎向構(gòu)件，當(dāng)側(cè)向位移增大時(shí)，偏心加劇，因P- △效應(yīng)而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加內(nèi)力，甚至破壞;②使居住人員產(chǎn)生不安全感;③使填充墻或建筑裝飾開(kāi)裂或損壞，主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或損壞，影響正常使用。

　　2.3 抗震設(shè)計(jì)要求更高，延性成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。結(jié)構(gòu)的抗震性能決于其“能量吸收與耗散”能力的大小，即決于結(jié)構(gòu)延性的大小。延性是表示構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服后，具有承載能力不降低、具有足夠塑性變形能力的一種性能，通長(zhǎng)采用延性系數(shù)μ來(lái)衡量延性的大小，μ=△u/△y。

　　3.3概念設(shè)計(jì)與理論計(jì)算同等重要

　　概念設(shè)計(jì)是指一些難以做出精確力學(xué)分析或在規(guī)范中難以具體規(guī)定的問(wèn)題，必須由工程師運(yùn)用“概念”進(jìn)行分析，做出判斷，以便采取相應(yīng)措施。概念設(shè)計(jì)帶有一定經(jīng)驗(yàn)性。高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算是在一定假定條件下進(jìn)行的。盡管分析的手段不斷提高，分析的原理不斷完善，但是由于地震作用的復(fù)雜性和不確定性，地基土影響的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)體系本身的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致理論分析計(jì)算和實(shí)際情況相差數(shù)倍之多。尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段之后，會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件的局部開(kāi)裂，甚至破壞，這時(shí)結(jié)構(gòu)就很難用常規(guī)的計(jì)算原理去進(jìn)行內(nèi)力分析。實(shí)踐表明，在設(shè)計(jì)中把握好高層建筑的概念設(shè)計(jì)，從整體上提高建筑的抗震能力，消除結(jié)構(gòu)中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，再輔以必要的計(jì)算和結(jié)構(gòu)措施，才能設(shè)計(jì)出具有良好抗震性能的高層建筑。將注重概念設(shè)計(jì)作為高層建筑結(jié)構(gòu)的最高原則提出其主要內(nèi)容為：應(yīng)特別重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性(包括平面規(guī)則性和豎向規(guī)則性);合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系包括：a.明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑;b.避免因部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失承受重力、風(fēng)載和地震作用的能力;c.結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備必要的承載能力和良好的變形能力，從而形成良好的耗能能力;采取必要的抗震措施提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性。

　　3高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

　　3.1框架結(jié)構(gòu)體系

　　由梁、柱、基礎(chǔ)構(gòu)成平面框架，它是主要承重結(jié)構(gòu)，各平面框架再由梁聯(lián)系起來(lái)，形成空間結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活，可以做成有較大空間的會(huì)議室、餐廳、車(chē)間、營(yíng)業(yè)廳、教室等。需要時(shí)，可用隔斷分割成小房間，或拆除隔斷改成大房間，因而使用靈活。外墻采用非承重構(gòu)件，可使立面設(shè)計(jì)靈活多變。但是框架結(jié)構(gòu)本身剛度不大，抗側(cè)力能力差，水平荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的位移，地震荷載作用下較易破壞。不高于15層宜采用框架結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到比較好的經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)。

　　3.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系

　　剪力墻結(jié)構(gòu)體系是利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)體系。墻體同時(shí)作為維護(hù)及房間分隔構(gòu)件。剪力墻間距一般為3～8m，現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側(cè)向變形小，承載力要求容易滿足，適于建造較高的高層建筑。而且其抗震性能良好，在歷次的地震中，都表現(xiàn)了很好的抗震性能，震害較少發(fā)生，程度也很輕微。但是剪力墻結(jié)構(gòu)間距不能太大，平面布置不靈活，而且不宜開(kāi)過(guò)大的洞口，自重往往也較大，不是很能滿足公共建筑的使用要求，而且其成本也較大。

　　3.3框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系

　　框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系由框架和剪力墻組成。剪力墻作為主要的水平荷載承受的構(gòu)件，框架和剪力墻協(xié)同工作的體系。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于剪力墻剛度大，剪力墻承擔(dān)大部分水平力(有時(shí)可以達(dá)到80%~90%)，是抗側(cè)力的主體，整個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大提高?？蚣軇t承受豎向荷載，提供較大的使用空間，同時(shí)承擔(dān)少部分水平力。由于有了剪力墻，其體系比框架結(jié)構(gòu)體系的剛度和承載力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(隔墻和外墻)的損壞。這樣無(wú)論在非地震區(qū)還是地震區(qū)，都可以用來(lái)建造較高的高層建筑。還可以把中間部分的剪力墻形成筒體結(jié)構(gòu)，布置在內(nèi)部，外部柱子的布置就可以十分靈活;內(nèi)筒采用滑模施工，外圍的框架柱斷面小、開(kāi)間大、跨度大，很適合現(xiàn)在的建筑設(shè)計(jì)要求。

　　除了上述的幾種結(jié)構(gòu)體系外，還有其他一些結(jié)構(gòu)體系，如薄殼、膜結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架等。隨著時(shí)代的進(jìn)步，會(huì)涌現(xiàn)出越來(lái)越多更好的結(jié)構(gòu)體系。這就需要不斷學(xué)習(xí)，從各方面考慮運(yùn)用經(jīng)濟(jì)合理的手段到達(dá)目標(biāo)。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　總之，高層建筑的高度和數(shù)量，從一個(gè)側(cè)面反映一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度但對(duì)于高層建筑亦應(yīng)適當(dāng)控制，即要與原有建筑相協(xié)調(diào)，還要與城市歷史特點(diǎn)相協(xié)調(diào)。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2]何輝，吳祖躍。淺談高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J]。科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009(13)