高层建筑结构设计的特点及结构体系分析

陈红宾 徐宾旭

【摘要】笔者结合自身多年的实际工作经验，通过对高层建筑结构设计特点及结构体系的分析，并将高层建筑结构设计中的参数确定进行了探究。

【关键词】高层建筑；结构设计；结构体系

0 前言

随着我国经济的快速发展，高层建筑如雨后春笋，一栋栋拔地而起。建筑的高层化和多样化发展，使得建筑结构设计方面的变化越来越多。面对建筑类型、功能、数量的不断增加，高层建筑结构体系的多样化，高层建筑结构设计迎来了新新的机遇与挑战。作者通过实践、总结，对高层建筑结构设计及结构体系，作出以下分析：

1 高层建筑结构设计的特点

1.1 决定因素是水平荷载

对某一定高度楼房来说，其竖向荷载基本上是定值，但是其水平荷载随着结构动力特性的不同将有较大幅度变化，并不是定值。由于楼房自重和建筑楼面的使用荷载在竖构件中所引起的弯矩和轴力的数值，与建筑高度成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖构件中引起的轴力，却与楼房高度的平方成正比 [1]。

1.2 重要设计指标是结构延性

在地震作用下，高层建筑相比于低层建筑的结构变形会更大一些。因此，为了使高层建筑结构具有较强的变形能力，避免高层建筑倒塌，一定要在其结构设计时采取相应的措施，确保高层建筑的结构具有足夠的延性。

1.3 控制指标为侧移

在高层建筑结构设计中，结构侧移是关键的控制指标，这与低层建筑有很大的不同。由于在水平荷载作用下，高层建筑结构的侧移变形与建筑高度的四次方成正比。建筑高度越高，其结构的侧移变形将大大增加。因此，必须在水平荷载作用下，将高层建筑结构的侧移控制在允许的限度范围内。

1.4 不能忽视轴向变形

高层建筑的竖向荷载很大，其将会在柱中引起比较大的轴向变形，从而减小连续梁中间支座处的负弯矩值，增大跨中正弯矩和端支座负弯矩值。此外，竖向荷载还会对预测构件的下料长度、构件剪力和侧移等产生影响。

2 高层建筑的结构体系

现阶段高层建筑常采用的结构体系主要有剪力墙结构体系、框架一剪力墙体系以及简体体系三种，其优缺点见表1[2]。

表1 结构体系优缺点比较

结构体系 优缺点

剪力墙结构体系 侧向刚度比较优良，平面布置也很规整，对侧向风力和地震的抵抗能力较强，釆用此种结构可以建造高度远大于框架结构的建筑。

框架—剪力墙体系 能够很好地适应多功能的需要，平面布置灵活、空间大，但是框架结构侧向刚度比较小，因此建造高度以及层数都受到一琮的限制。

筒体体系 筒体体系具有优良的整体性和抗侧力性能，因此该结构能够满足高层建筑更高层数的要求。

3 高层建筑结构设计实例分析

3.1工程概况

某高层住宅一期建筑总面积47838.33m2，建筑占地面积1426.33m2；建筑层数地上32层，地下1层；建筑总高度98.7m。建筑防火设计为一类。建筑耐火等级地上为一级，地下为一级，地下室防水为II级。

3.2 抗震等级

按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的规定划分，场区属中软土类型，因本场地等效剪切波速Vse=156.2—178m/s，9.8m<覆盖层厚<33.8m，故建筑场地类别为Ⅱ类。场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35s。

3.3 设计荷载取值（可变荷载标准值）

①楼、地面主要使用荷载

根据《建筑结构荷载规范》GB5009—2001（2006年版）及业主提出楼面荷载要求，楼面屋面均布主要荷载标准值（KN/M2）按不同使用要求确定（表2）。

表2 楼面屋面均布主要荷载

序号 荷载类别 荷载标准值 分项系数 准永久值系数

1 不上人屋面 0.5 1.4 0

2 上人屋面 2.0 1.4 0.4

3 厨房、卫生间 2.5 1.4 0.4

4 露台 2.0 1.4 0.5

5 阳台 2.5 1.4 0.5

6 楼梯 3.5 1.4 0.3

7 电房、发电机房 10.0 1.4 0.6

8 其他楼面 2.2 1.4 0.5

9 地下车库 4.0 1.4 0.6

10 消防车道 35 1.4 0.6

②风荷载

根据《建筑结构荷载规范》GB50009—2001（2006年版）基本风压按50年重现期的风压值为0.30KN/m2，地面粗糙度属B类。

3.4 结构选型及地下室、伸缩缝设置

本工程为32层住宅；结构拟采用剪力墙结构形式。单层地下车库长约（南北）128米，（东西）长约63米，设计考虑局部地下车库做结构底板、整个地下车库顶板及侧壁均不设伸缩缝，采用沉降后浇带及一般后浇带工艺以解决混凝土收缩开裂问题。地下室每隔约30米设一道后浇带。单层地下室水位比底板面低，不考虑抗浮。

3.5 基础选型及设计等级

地基基础设计，根据地质勘察资料，本工程基础采用人工挖孔桩墩基础，桩径800、1000、1200、1400mm，桩端以中风化泥质粉砂岩、中风化砾岩为持力层，Φ800桩单承载力特征值取3900kN，Φ1000桩单承载力特征值取5600kN，Φ1200桩单承载力特征值取7100kN，Φ1400桩单承载力特征值取8700kN。基础设计等级为甲级。

4 高层建筑结构设计中的参数

高层建筑结构设计中各参数的确定对于结构的合理性、安全性有很大的影响，因此要合理地确定各参数引。

4.1 轴压比

为达到结构延展性的要求，要对结构的轴压比进行控制。但在一些特殊情况下，也会出现轴压比不满足规范要求的状况。此时，可以通过增加墙、柱的混凝土强度以及增加墙、柱横面的面积的措施来对其进行调节。

4.2 剪重比

高层建筑各楼层必须控制最小水平地震剪力，要在确保安全的情况下增加其结构的周期长度。当剪重比不满足规范要求时，可以采取增强纵向结构部件以及增强墙、柱的竖向构件的延展程度等措施来进行合理分配。

4.3 刚重比

高层建筑的刚重比要规范上限，这样就使得重力荷载在水平位移作用下引起二阶效应可以被忽略。当刚重比不满足最小限制值时，可以采取增加或者减少横竖向构件以及加强墙、柱等纵向建筑结构的刚度来进行整合。

4.4 层间位移角

为保证高层结构应该必备的合理刚度需求，要对建筑结构在合理使用中的水平位移进行限制。避免在施工或者使用过程中出现过大的位移，从而影响到整个建筑构件的完整性和安全性。

5 结论

目前，建筑向高层化和功能多样化方向发展的趋势越来越明显。而高层建筑结构设计方面的变化越来越多，涌现出了许多新兴的结构设计方案。面对建筑类型与功能越来越复杂、高层建筑的数量逐渐增多、高层建筑的结构体系越来越多样化的新形势，高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。面对如此形势，应该把高层建筑的结构设计放在首位加以研究。

参考文献：

[1] 李邦耀.高层建筑结构设计分析[J].江西建材，2012，3：59—60.

[2] 葛晓梅.某超高层建筑结构方案的比较[J].浙江建筑，2012，5：14—17.

[3] 杨伟.高层建筑框架结构设计中应注意的几个问题[J].广东科技，2011，7：153—154.