高層建筑結構的設計原則范文
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第1篇
關鍵詞：高層建筑；結構設計；策略
Abstract: with the rapid development of economy, high-rise buildings in most of our cities also have emerged. For high-rise building structure is concerned, its choice of structural system, and more importantly and load factors, therefore, this paper discusses the structure of the high-rise building design must first with different structure system based on the influence of, choose the most reasonable scheme.
Keywords: high building; Structure design; strategy
中圖分類號：TU318文獻標識碼：A 文章編號：
1高層建筑結構設計的原則
適用、安全、經濟、美觀、便于施工是進行高層建筑結構設計的原則。一個優秀的建筑結構設計往往是這五個方面的最佳結合。完美的建筑結構設計就是在努力追求這五個方面的最佳結合的過程中產生的,適用、安全、經濟、美觀、便于施工是結構設計人員最終努力的目標,是結構設計的最佳體現。
結構設計一般在建筑設計之后,“受制”于建筑設計,但又“反制”于建筑設計。結構設計不能破壞建筑設計,應滿足、實現各種建筑要求;高層建筑設計不能超出結構設計的能力范圍,不能超出安全、經濟、合理的結構設計原則。結構設計決定高層建筑設計能否實現,從這個意義上講,結構設計顯得更為重要,雖然一棟標志性建筑物建成后,人們只知道建筑師的名字,但一個適用、安全、經濟、美觀、便于施工的結構設計也是工程師們的驕傲和成就。
2高層建筑結構設計的特點
高層建筑結構設計與低層、多層建筑結構相比較，結構專業在各
專業中占有更重要的位置，不同結構體系的選擇，直接關系到建筑平
面的布置、立面體形、樓層高度、施工技術的要求、施工工期長短和投
資造價的高低等。其主要特點有：
2.1 水平力是設計主要因素
在低層和多層房屋結構中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結構設計產生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與建筑高度的一次方成正比（N=WH）；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，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，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化。
2.2 側移成為設計的控制指標與低層或多層建筑不同，結構側移成為高層結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結構的側向變形迅速增大，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、輕質高強材料的應用、新的建筑形式和結構體系的出現、側向位移的迅速增大，在設計中不僅要求結構具有足夠的強度，還要求具有足夠的抗側剛度，使結構在水平荷載下產生的側移被控制在某一限度之內，否則會產生以下情況：①因側移產生較大的附加內力，尤其是豎向構件，當側向位移增大時，偏心加劇，因P- 效應而使結構產生的附加內力，甚至破壞；②使居住人員產生不安全感；③使填充墻或建筑裝飾開裂或損壞，主體結構出現裂縫或損壞，影響正常使用。
2.3 抗震設計要求更高，延性成為結構設計的重要指標有抗震設防的高層建筑結構設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結構具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。結構的抗震性能決于其“能量吸收與耗散”能力的大小，即決于結構延性的大小。延性是表示構件和結構屈服后，具有承載能力不降低、具有足夠塑性變形能力的一種性能，通長采用延性系數μ來衡量延性的大小，μ=u/y如圖2。
3.3概念設計與理論計算同等重要
概念設計是指一些難以做出精確力學分析或在規范中難以具體規定的問題，必須由工程師運用“概念”進行分析，做出判斷，以便采取相應措施。概念設計帶有一定經驗性。高層建筑結構的抗震設計計算是在一定假定條件下進行的。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雜性和不確定性，地基土影響的復雜性和結構體系本身的復雜性，可能導致理論分析計算和實際情況相差數倍之多。尤其是當結構進入彈塑性階段之后，會出現構件的局部開裂，甚至破壞，這時結構就很難用常規的計算原理去進行內力分析。實踐表明，在設計中把握好高層建筑的概念設計，從整體上提高建筑的抗震能力，消除結構中的抗震薄弱環節，再輔以必要的計算和結構措施，才能設計出具有良好抗震性能的高層建筑。將注重概念設計作為高層建筑結構的最高原則提出其主要內容為：應特別重視建筑結構的規則性(包括平面規則性和豎向規則性)；合理選擇建筑結構體系包括：a.明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；b.避免因部分結構構件的破壞而導致整個結構喪失承受重力、風載和地震作用的能力；c.結構體系應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構構件的延性。
3高層建筑的結構體系
3.1框架結構體系
由梁、柱、基礎構成平面框架，它是主要承重結構，各平面框架再由梁聯系起來，形成空間結構體系。框架結構的優點是建筑平面布置靈活，可以做成有較大空間的會議室、餐廳、車間、營業廳、教室等。需要時，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。外墻采用非承重構件，可使立面設計靈活多變。但是框架結構本身剛度不大，抗側力能力差，水平荷載作用下會產生較大的位移，地震荷載作用下較易破壞。不高于15層宜采用框架結構，可以達到比較好的經濟平衡點。
3.2剪力墻結構體系
剪力墻結構體系是利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結構體系。墻體同時作為維護及房間分隔構件。剪力墻間距一般為3～8m，現澆鋼筋混凝土剪力墻結構整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側向變形小，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，都表現了很好的抗震性能，震害較少發生，程度也很輕微。但是剪力墻結構間距不能太大，平面布置不靈活，而且不宜開過大的洞口，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－剪力墻結構體系
框架－剪力墻結構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件，框架和剪力墻協同工作的體系。在框架－剪力墻結構中，由于剪力墻剛度大，剪力墻承擔大部分水平力（有時可以達到80%~90%），是抗側力的主體，整個結構的側向剛度大大提高。框架則承受豎向荷載，提供較大的使用空間，同時承擔少部分水平力。由于有了剪力墻，其體系比框架結構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構構件（隔墻和外墻） 的損壞。這樣無論在非地震區還是地震區，都可以用來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構，布置在內部，外部柱子的布置就可以十分靈活；內筒采用滑模施工，的框架柱斷面小、開間大、跨度大，很適合現在的建筑設計要求。
除了上述的幾種結構體系外，還有其他一些結構體系，如薄殼、膜結構、網架等。隨著時代的進步，會涌現出越來越多更好的結構體系。這就需要不斷學習，從各方面考慮運用經濟合理的手段到達目標。
4結語
總之，高層建筑的高度和數量，從一個側面反映一個國家科學技術水平和經濟發展程度但對于高層建筑亦應適當控制，即要與原有建筑相協調，還要與城市歷史特點相協調。
參考文獻
[1]吳曉琳。淺析高層建筑結構設計與特點[J]。中國高新技術企業，2009（11）
第2篇
關鍵詞：高層建筑、結構設計、選型原則、特點
一、高層建筑結構型式
高層建筑結構的結構型式繁多，框架、剪力墻、框架-剪力墻結構體系是高層鋼筋混凝土建筑結構中較為傳統的、廣為應用的結構體系。隨著層數和建筑高度增加，利用結構空間作用，又發展了框架-核心筒結構、筒中筒結構、多筒結構和巨型結構等多種結構體系。
二、高層建筑結構選型設計原則
2.1 功能適應性原則
不同功能的建筑，往往要求具有不同的功能空間特征；不同的結構體系型式，并能夠提供不同的空間布置；不同的內部空間特征又要求不同的結構與其相適應。
2.2 剛度合理性原則
不同的結構體系往往具有不同的剛度和承載力，也有使其整體綜合性能得到較好發揮的高度適應范圍。一般來說，框架結構適用于設防烈度低的層數較少的高層建筑；框架-剪力墻結構和剪力墻結構適用于各種高度的建筑；在高度較大或設防烈度高時，可采用筒體結構等。
2.3 空間整體性原則
建筑結構系統是一個由多個子結構及其若干組成構件組成的空間結構體系。一個結構的抗震能力不僅取決于各子結構及相應構件的強度、剛度、延性及其受力狀態，而更主要地取決于保證這些子結構、構件協同工作的能力或空間整體性。
2.4 施工方便性原則
不同的結構型式決定著結構的施工工藝、施工難度、施工工期及可能的施工質量。
三、高層建筑結構設計的幾個特點
水平荷載起控制作用，側向位移必須加以限制，軸向變形在側移中占有很大的份額，所以在結構體系選型時應充分考慮這幾個特點。對于低層、多層或高層建筑，其豎向和水平結構體系設計的基本原理是相同的。但隨著高度的增加，由于以下兩個原因，豎向結構體系成為設計的控制因素：一個是較大的豎向竣工體系要求有較大的柱、墻和井筒；另一個更重要的原因是，側向力所產生的傾覆力矩和側向變形要大得多，高層建筑結構設計人員必須以精心設計來保證。
四、高層建筑結構的關鍵設計
4.1 框架結構
（1）基礎系梁的設置問題。在設計工作中，存在下述情況之一時，宜沿兩個主軸方向設置基礎系梁：1）一級框架和Ⅳ類場地的二級框架。2）各柱在重力荷載代表值作用下的壓應力差別較大。3）基礎埋置較深，或各基礎埋置深度差別較大。4）地基主要受力層范圍內存在軟弱黏性土、液化土層或嚴重不均勻土層時（詳建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）第6.1.11條）。如果基礎埋置深度較深時，可以用基礎系梁減少底層柱的計算長度，在±0.000以下設置系梁，此時系梁宜按一層框架梁進行設計，同時系梁以下的柱應按短柱處理。
（2）框架結構薄弱層的判定與處理。薄弱層是對抗震極為不利的結構層，原則上應避免出現薄弱層。避免出現薄弱層的最基本方法是加大該層的抗側移剛度，即加大該層的柱截面或梁截面；如果條件允許，可以改變該層層高。當無法避免出現薄弱層時，在結構計算和出圖時必須按照規范規定采取相應的措施。
4.2 剪力墻結構
剪力墻是一種有效的抗側力構件，剪力墻結構體系、框架剪力墻結構體系、筒體結構體系中，剪力墻都是作為主要的承重結構單元，因此，剪力墻的截面設計是高層混凝土結構設計的重要部分。在地震區剪力墻除保證有足夠的承載力外，還要保證有足夠的延性，以提高整個結構的耗能能力，改善結構的抗震性能。在剪力墻墻肢截面設計時，當縱橫向剪力墻連成整體共向工作時，可將縱墻的一部分作為橫墻的翼緣加以考慮。同時也可將橫墻的一部分作為縱墻的翼緣予以考慮。在框架剪力墻結構中，剪力墻常常和梁柱連一體，形成帶邊框剪力墻。因此，剪力墻墻肢常常按矩形截面、T形截面或工字形截面進行設計。
4.3 框架剪力墻結構
當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架剪力墻體系。框架剪力墻結構體系是把框架和剪力墻兩種結構共同組合在一起形成的結構體系。這種結構既具有框架結構布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度和較強的抗震能力。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系。在體系中框架主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力。框架剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設置，增大了結構的側向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架剪力墻體系的最大適用高度要大于框架體系。
4.4 筒體結構
凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系，包括單筒體、框架-核心筒、筒中筒、成束筒等多種形式。筒體是一種空間受力構件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。筒體體系具有很大的剛度和強度，各構件受力比較合理，抗風、抗震能力很強，往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。以框架-核心筒結構為例。核心筒應具有良好的整體性，墻肢宜均勻、對稱布置，筒體角部附近不宜開洞，當不可避免時，筒角內壁至洞口應保持一段距離，以便設置邊緣構件，其值不應小于500mm和開洞墻的厚度；核心筒外墻的截面厚度不應小于層高的1/20及200mm，對一、二級抗震設計的底部加強部位不應小于層高的1/16及200mm。剪力墻的截面厚度應滿足墻體穩定驗算要求，必要時增設扶壁墻；在滿足承載力要求，以及軸壓比限值時，核心筒內墻可適當減薄，但不應小于160mm。
4.5 強調“三強三弱”
為體現抗震概念設計思想，按照建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）要求應實現“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”，使其具有較好的變形能力。規范雖然列出了許多具體核算公式，但由于種種原因目前還存在將梁超計算配筋或加大截面而柱筋及截面不變的情況，這就很難保證“強柱弱梁”實現，而且實際結構中轉換層、剛性層大梁以及樓板的存在，要真正實現“強柱弱梁”的概念很困難；設計中局部尺寸或荷載有改變時，有的設計人員習慣于增加縱筋而不改善箍筋，則很難保證“強剪弱彎”；設計人員往往對構件進行大量計算，增強構件，而對節點不過細考慮。施工時節點區缺少箍筋甚至無箍筋的情況非常普遍。因此，要使“三強三弱”概念得以實現，首先應對規范目前核算公式改進使其實用，如采用“實配反算法”來保證，否則公式概念雖然正確但因不易操作不實用，而成為虛設；其次，設計人員應認識到“三強三弱”概念在抗震設計中的重要性，精心設計使所設計的結構具有良好的抗震能力。
第3篇
關鍵詞：高層建筑；結構設計；原則
1高層建筑結構設計特點簡析
1.1軸向形變不容忽視
通常在低層建筑結構分析中，只考慮彎矩項，因為軸力項影響很小，而剪切項一般可不考慮。但對于高層建筑結構，情況就不同了。由于層數多，高度大，軸力值很大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會使高層建筑結構的內力數值與分布產生顯著的改變。
1.2側移成為控制指稱
與低層建筑不同，結構側移己成為高層建筑結構設計中的關鍵因素，隨著樓層的增加，水平荷載作用下結構的側向變形迅速增大。設計高層結構時，不僅要求結構具有足夠的強度，能夠可靠地承受風荷載作用產生的內力；還要求具有足夠的抗側剛度，使結構在水平荷載下產生的側移被控制在某一限度之內，保證良好的居住和工作條件。這是因為高樓的使用功能和安全，與結構側移的大小密切相關：
1.3結構延性是高層建筑設計重要性質
延性是指構件和結構屈服后，在承載能力不降低或基本不降低的情況下，具有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比來表示。對于受彎構件來說，隨著荷載增加，首先受拉區混凝土出現裂縫，表現出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服，受壓區高度減小，受壓區混凝土壓碎，構件最終破壞。從受拉鋼筋屈服到壓區混凝土壓碎，是構件的破壞過程。在這過程中，構件的承載能力沒有多大變化，但其變形的大小卻決定了破壞的性質。提高延性可以增加結構抗震潛力，增強結構抗倒塌能力。高層建筑相對低層結構而言，結構設計更柔一些，如果遇到地震，震動作用下的建筑結構變形更大一些。為了做好防震設計，避免倒塌，建筑在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，特別需要在構造上采以適當的設計，確保建筑設計具有很好的延性。
2建筑結構設計要考慮到經濟性
建筑結構經濟性包括內容注重經濟性的建筑設計包含非常廣泛的內容。傳統中只強調改進建筑材料保溫性、改善建筑體形系數、提高建筑材料的氣密性等一系列節能降耗措施，現在建筑隨著形勢的發展，人們對居住環境不僅從結構性出發，更要在建筑結構的經濟性角度考慮，如空間組織、技術組織、結構設置、能源與資源利用，以及建筑循環再利用等方面全面地確立經濟性的原則、方法。
3抗震設計原則
3.1等強度與耗能設計原則
在結構設計的過程中，一定要避免設計不當, 造成在地震力作用下部分主要構件破壞,或是整幢建筑物連續破壞的局面,故結構整體設計要注意加強薄弱部位,盡量做到等強度。 如角柱的配筋適當加強,防止角柱先破壞,以免引起其它部位的破壞。
3.2 結構延性設計原則
地震區搞設計必須對結構延性有清晰的概念。結構延性一般用延性系數來表示,它表示的是結構破壞變形(位移、轉角、曲率)與屈服變形Y的比值。即:u=u/y延性越大, 則結構在強震下可忍受大的塑性變形而不致倒塌、 破壞,即結構延性好。因此在結構設計中應注意鋼筋級別、配筋率大小、構造措施等。
3.3強柱弱梁設計原則
這個原則在框架結構抗震設計中是很重要的原則, 其目的是為了保證在強震下,框架結構的塑性鉸在梁上產生,而不發生在柱上。使結構在強震時能降低地震對結構的作用。增大結構延性,使框架產生塑性變形。
3.4充分考慮地震耦合作用
地震是非平穩隨機過程,它對建筑物作用是綜合的,不是單一的,是水平,垂直、 扭轉三個分量同時作用的,我們應充分考慮地震的耦合作用。
4抗風設計原則
風作用是外界施加在建筑物上的作用, 是從空中傳遞過來的,風作用使建筑物受到雙重作用: 一方面風力使建筑物受到一個基本上比較穩定的風壓力;另一方面風又使建筑物產生風力振動。風作用具有靜力和動力雙重性質, 在建筑結構設計時我們應充分予以考慮, 對風作用我們應采取以下措施來改善建筑物抗風的能力:
(1)保證足夠的剛度及強度,承受風作用下產生的內力,控制建筑物的位移。
(2)選擇合理的結構體系和建筑體型,園形、 正多邊形平面可以減小風壓數值。
(3)盡量采用對稱的平面形狀和對稱的結構布置,以減小風力產生的扭轉作用影響。
(4)外墻、窗玻璃、女兒墻及其它周圍裝飾構件必須有足夠的強度,并有可靠的連接,防止產生建筑局部損壞。 市綜合技術大樓抗風設計基本上是按照上述措施進行的,建筑平面為矩形,結構布置也是左右對稱的,質心和剛心基本重合。
5適宜剛度
建筑結構設計中,剛度的大小直接影響到結構設計的合理性。調整剛度中心是解決扭轉的有效途徑在大量的工程設計實例中發現。對于高層建筑,即使結構布置是對稱的,由于質量分布很難做到均勻對稱,質心和剛心的分離是在所難免的。 當建筑層數很多時,上部各層偏心引起的扭轉效應在下層的積累更對下部幾層不利。即使是很對稱的結構或正交結構,周期比也會不滿足規范。因此在結構布置時,除了要求各向對稱外,還應使結構具有較大的抗扭剛度。 增加四周結構的剛度,在結構增加墻體、減少核心簡的剛度、增加連梁的高度等可以控制周期比,使結構的扭轉周期靠后,從而滿足規范要求。剛度大小基本上可從自振周期、 總位移得到反應。周期小、位移小則剛度大,反之則剛度小。我們要確定一個適宜剛度,就要用位移、自振周期控制,要通過幾次或多次試算后方可得出一個適宜剛度。
參考文獻
