徐霓虹（重庆建筑工程职业学院400039）
［摘要］高层建筑的结构体系是随着社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展的。可以预见,在相当长的一段时间内,高层建筑将是世界上大部分国家在城市建设中的主要建筑形式。因此,掌握高层建筑的设计知识是建筑与土木领域技术人员的基本要求。
［关键词］结构体系结构选型
1.结构平面布置与竖向结构设计
高层建筑的平面布置宜简单、规则,尽量减少突出、凹进等复杂平面。更重要的是结构平面布置时要尽可能刚度均匀,即结构的刚心与质心尽量接近,减少地震作用下的扭转,扭转对结构的危害很大。减少结构的扭转,一是减少地震作用引起的扭转,二是增加结构抵抗扭转的能力。平面刚度布置均匀,可减少地震作用下的扭转。而影响平面刚度均匀的主要因素是剪力墙的布置。剪力墙集中布置在结构平面的一端或一侧是不好的。大刚度抗侧力单元偏置的结构在地震作用下扭转大,而对称布置剪力墙、井筒有利于减少扭转。周边布置剪力墙,或周边布置刚度很大的框筒等,都是增加结构抗扭刚度的重要措施,有利于抵抗扭转。为了减少地震作用下的扭转,还要注意平面上质量分布,质量偏心会引起扭转,质量集中在周边会加大扭转。
避免薄弱层,减少鞭梢效应结构宜做成上下等宽或由下向上向心逐渐减小的体型。更重要的是结构的抗侧刚度应当沿高度均匀分布,或沿高度向心逐渐减小。各层剪力墙的布置是影响结构竖向刚度是否均匀的主要因素。框支剪力墙结构是典型的结构竖向刚度有突变的结构,框支层的变形大,为薄弱层,容易发生地震震害。故在结构设计时,不允许将全部或大部分剪力墙设计成框支,必须有一定数量的落地剪力墙,让框支剪力墙的软弱层由落地剪力墙加强,将框支剪力墙转换层以上的剪力较均匀的转移到落地剪力墙上,从而避免软弱层引起的震害。由于建筑立面有较大的收进或顶部有小面积的凸出房间造成建筑立面体型沿高度变化,或者为了加大建筑空间而顶部减少剪力墙等,都可能使结构顶部少数层刚度突然变小,这可能加剧地震作用下的鞭梢效应,顶部的侧向甩动变形过大也会使结构遭受破坏,所以在概念设计中,应当考虑到这些方面的影响,在方案阶段进行调整或采取加强措施。总之,通过概念设计,应力求达到抗震体系选择恰当,经济合理,较好满足设计规范的各项要求。选择合理的结构体系根据工程实践经验,如果高层建筑结构体系选型不当,任凭再用先进的结构理论和精确的计算方法,也较难作出安全可靠、经济合理的高层建筑结构设计。正确处理高层建筑结构体系的选型问题,对于高层建筑结构设计而言,具有重要意义。高层建筑结构体系按结构形式分类主要有:框架结构;抗震墙结构;框架-抗震墙结构;筒体结构;部分框支抗震墙结构;板柱-抗震墙结构等等。不同的结构体系所具有的强度和刚度是不一样的。因此它们适用的高度也不同。不同的建筑功能选择的高层建筑的结构体系也不尽相同。
2.高层建筑的结构体系
高层建筑结构具有以下特点：(1)水平荷载成为决定性因素。建筑物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,仅与建筑物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引起的轴力,是与建筑物高度的二次方成正比;另外,对某一定高度建筑物而言,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,其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。(2)轴向变形不容忽视。高层建筑中,竖向荷载数值很大,能够在柱中引起较大的轴向变形,从而会对连续梁弯矩产生影响,造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大;还会对预制构件的下料长度产生影响,要求根据轴向变形计算值,对下料长度进行调整;另外对构件剪力和侧移产生影响,与考虑构件竖向变形比较,会得出偏于不安全的结果。(3)侧移成为控制指标。与较低楼房不同,结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加,水平荷载下结构的侧移变形迅速增大,因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。(4)结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言,高楼结构更柔一些,在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力,避免倒塌,特别需要在构造上采取恰当的措施,来保证结构具有足够的延性。
3.结构选型
搞好结构工程的关键还在于结构选型，如果选型不当，即使结构计算很精确，也有可能给结构的安全使用及耐久性带来无法弥补的缺陷，所以结构选型对于结构的全寿命优化有着举足轻重的作用。在非地震区的高层建筑，水平荷载以风荷载为主。所以非地震区高层建筑选型宜选用有利于抗风作用的建筑体型，也就是宜选用风压体型系数较小的建筑体型，比如圆形、椭圆形等。流线型的建筑体型以及由下往上逐渐变小的截锥形体型的体型系数相对较小，有利于抗风。在进行结构平面布置时，宜使用结构平面形状和刚度分布尽量均匀对称，以减轻风荷载作用下扭转效应对结构内力和变形的影响，并应限制结构高宽比，防止倾覆和失稳。地震区高层建筑的体系选型，实际上属于抗震概念设计范畴，它是在总结震害规律及工程经验的基础上，以宏观概念为指导，正确地解决高层建筑的总体方案，选择合理的结构体系，以达到合理抗震。通常应选择对抗震有利的地段，选用整体性较好的基础，立体结构应具有合理的地震作用传递途径，拥有多道抗震防线，具有必要的刚度和强度，具有合理的刚度和强度分布，避免竖面侧移刚度的突变。另外亦宜选择风压体型系数较小的形状并限制高宽比。
对于低层、多层或高层建筑，其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的。但随着高度的增加，由于以下两个原因，竖向结构体系成为设计的控制因素：较大的竖向荷载要求有较大的柱、墙和井筒；更重要的是，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多，必须精心设计。高层建筑的竖向结构体系从上到下一层层地传递累积的重力荷载，因此要求较大的柱或墙截面来承受这些荷载。同时，这些竖向结构体系还必须把风荷载或地震作用等侧向荷载传给基础。可是，与竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性的，而是随建筑物的增高而迅速增大。例如，在其它条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底上的倾覆力矩近似地与建筑物高度的平方成正比，而建筑物顶部的侧向位移与其高度的4次方成正比。地震的效应甚至更加显著。当低层或多层建筑的结构按恒载及活荷载设计时，柱、墙、楼梯或电梯井就自然能承受大部分水平力，问题主要是抗剪。在"矮"房子的框架中，可以填充一些墙板，甚至全部填满墙板的办法很容易获得适当的附加支撑效果，而不必另外再加大原来竖向荷载所需要的柱和梁的尺寸。高层建筑并非如此。这是因为在高层建筑中，主要问题是抗弯和抵抗变形，而不仅仅是抗剪。为了使高层建筑足以抵抗相当大的侧向荷载和侧移，常常不得不进行专门的结构布置，柱、梁、墙和板的截面总是要大一些。
参考文献：
［1］郭院成.建筑结构体系概念和设计［M］.黄河水利出版社,2001.
［2］林同炎.结构概念和体系.中国建筑工业出版社.2005年版.
［3］李明.建筑结构设计的思考.建筑结构.2004年第5期.
［4］刘建荣.高层建筑设计与技术.中国建筑工业出版社,2007.05.
［5］胡文湛．浅谈高层建筑结构分析与设计［J］．江西建材，2006，（1）．