高层建筑结构的选型和结构设计探析

　　进入二十一世纪以来，我国城市发展速度不断加快，越来越多的高层建筑出现在了我们的视野中。通过分析高层建筑结构的一些特征能够发现，它们的结构造型有着自身独特的一面，高层建筑设计施工是为了节省建筑用地面积，需要在高处下功夫，因此，只有将合理的结构造型设计出来，才能够将建筑物的功能切实地发挥出来。

　　1 结构分析及设计分析

　　1.1 分析三种重要的体系
　　
　　1.1.1 剪力墙体系

　　剪力墙结构是利用建筑的内、外墙做成剪力墙以承受垂直和水平荷载的结构体系。剪力墙的变形状态和受力特性同剪力墙的开洞情况联系密切，其中依据轧受力特性的不同，单片剪力墙可以分为特殊开洞墙和单肢墙。类型不同的剪力墙，对应的也会有不同的截面应力分布，所以，在对位移和内力进行计算时，也应该对不同的计算和设计方法进行使用，将平面有限元法应用到剪力墙的结构计算中。此种方法能够比较准确地完成计算，能够应用到各类剪力墙之间，然而，也有一定的弊端存在于这种方法中，其有着较多的自由度。所以，在具体的应用时，较为普遍地应用了开洞墙这一类型。

　　1.1.2 筒体结构

　　筒体结构分为框架-核心筒、筒中筒等结构体系，其中框架-核心筒受力特点为框架主要承受竖向荷载，筒体主要承受水平荷载，变性特点类似于框架剪力墙，但抗侧刚度较大。依据不同的计算机模型处理手段，有三种类型的分析方法：主要为离散化方法、三维空间分析和连续化方法，其中三维空间方法的精确性会更高。

　　1.1.3 框架-剪力墙体系

　　框架-剪力墙结构，是由若干个框架和剪力墙共同作为竖向承重结构的建筑结构体系。此种结构位移和内力等计算方法尽管种类较多，然而，连梁连续化假定方法会经常被使用，在对位移协调条件进行计算时，应该按照框架水平位移和剪力墙转角进行设计，将外荷载和位移的关系用微分方程建立起来。然而，应该考虑需求和因素未知量会存在的差异，所以，也会有着不同形式的解答方式。

　　1.2 具体的设计与分析

　　1.2.1 合理地确定水平荷载

　　每一个建筑结构都应该一同承受风产生的水平荷载和垂直荷载，对于抵抗地震的能力也应该具备。高层建筑中，尽管结构设计会较大程度上受到竖向荷载的影响，然而，水平荷载却占据着重大的比重。随着不断增多的高层建筑层数，在高层建筑的结构设计中，水平荷载成为了其中一个重要的影响因素。首先，由于楼面使用荷载和楼房自重在竖构件中发挥的功能，对应水平荷载会将一定的倾覆作用施加到结构中，并且竖构件中就会出现高层建筑结构的作用力；其次，就高层建筑结构而言，地震作用和竖向荷载，也会跟着建筑结构的动力情况而出现较大的改变。

　　1.2.2 合理地确定侧控

　　同低层建筑不同，在高层建筑结构设计中，结构侧移已经成为了其中一个非常重要的影响因素。随着不断增加的楼层数量，结构侧移在水平荷载侧向变形下会逐渐增大。在高层建筑结构进行设计中，不但规定结构要有一定的强度，对于荷载作用带来的内力能够有效的予以承受，同时，还应该确保具备一定的抗侧刚度，确保在某一限度内控制结构在水平荷载作用出现的侧移情况。

　　1.2.3 在设计中，结构延性为重要的技术指标

　　对比低层建筑结构能够发现，高层建筑物会更加柔和，在地震的影响下，会增大其变形情况，为了保证高层建筑结构向着塑性变形阶段进入之后，仍然有很大的变形能力，进而防止建筑垮塌，设计人员因此应该将恰当的措施应用到建筑结构的设计上，进而确保有足够的延性存在高层建筑结构中。

　　2 某工程结构选型分析

　　2.1 工程概况

　　本论述以某工程为例进行了探究，该高层位于兰州市安宁区，抗震设防烈度 8 度，设计基本地震加速度值 0.20 g,设计地震分组：第三组，共 24 层，主要建筑功能为综合类办公，主要层高 4.5m、3.9m,主要跨距 9m×9m,结构主体高度 94.50m,规则对称的井子型平面为主要的建筑平面。底层结构平面布置见图 1 所示。

　　2.2 结构布置

　　考虑建筑使用功能，结构选型为框架-核心筒结构体系，框架抗震等级一级，剪力墙抗震等级一级。在布置结构平面时对于利于抵抗竖向和水平的荷载要进行考虑，剪力墙主要布置在核心筒，传力直接，受力明确，墙体布置对称均匀，同时考虑到扭转影响，在不影响建筑功能的前提下，在建筑平面四角适当布置双向抗侧力剪力墙，将扭转的影响降低下来。建筑平面布置规则简单，降低地震影响，考虑到刚度对称，将电梯井筒体设置在核心筒内部，再按照建筑平面将框架对称布置出来。

　　结构构件布置时，尽量将柱和梁重心重合，确保能够直接传力，梁柱中心线不能重合时，在计算中考虑偏心对梁柱节点核心区受力和构造的不利影响，对于偏心距大于该方向柱宽的 1/4时，采取增设梁的水平加腋等措施，降低因为偏心较大而产生的不利影响。

　　通常剪力墙在抗震中会比较理想地体现其抗侧力性，然而，也需要科学的设计。在设置剪力墙结构时，应该遵循这样的原则：沿两个主轴方向或其他方向双向布置，两个方向的侧向刚度大体相一致；剪力墙自下到上连续布置，避面刚度突变，门窗洞口上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁；避免墙肢宽度相差悬殊的洞口设置；底部加强部位不采用上下洞口不对齐的错洞墙，全高均不采用洞口局部重叠的叠合错洞墙；同时，对于单片剪力墙，墙长不超过 8m.

　　楼梯间、抗侧力电梯间的剪力墙、房屋顶层的配筋对于加强部位的要求应该予以满足。

　　剪力墙的布置问题和剪力墙的数量为造价的主要影响因素，按照建筑平面布局情况来确定剪力墙的间距，通长为若干倍建筑开间和建筑进深，有着过小的剪力墙间距，这样能够有效地展现出墙体材料的强度功能，并且有较大的抗地震反应会出现在其中。此外，24层的综合公楼为该建筑结构的主要特征，考虑到有较大会议室和办公空间需求，在布置剪力墙、框架柱是应该依据大开间的原则进行布置，进而能够将剪力墙、框架柱的承载能力充分地展现出来，因此，技术经济指标在其中都会非常的优越。

　　2.3 结构布置结果分析

　　本工程上部结构整体计算采用中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部编制的"多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件"SATWE 进行内力和变形计算，通过电算输出结果分析可知：（1） 结构第一扭转振型周期 Tt 和第一平动振型周期 T1 的比值小于 0.9,满足规范要求；（2）最大层间位移角小于 1/1 000,在考虑±5 %楼层质量偶然偏心的单向地震作用下，结构楼层最大层间位移和平均层间位移值的比值小于 1.2,属扭转规则的结构；（3）楼层侧向刚度均不小于上部楼层的 0.7 倍及其上相邻三个楼层刚度平均值的 80 %;楼层受剪承载力大于相邻上一层的 80 %,属竖向规则的结构；（4）结构承载力和变形计算结果，满足要求，基本无超筋超限的情况。

　　通过以上电算结果分析，说明结构体系选择合理，主要结构构件截面选择合适。

　　3 结束语

　　现阶段，分析我国高层建筑结构的选型和结构设计，不管是在国外和国内，都受到了广大研究人员的高度重视，然而，在理论方法和研究的过程中，还有很多方面需要不断地进行完善。在高层建筑建设中，结构设计和结构选型是非常重要的组成部分，其具备多个复杂性，综合性也较强，并且有很多的不确定性因素存在于其中，所以，应该将很多智能型优化方法运用起来进行研究。同时，一些施工人员在工作中应该努力总结工作经验，将更加美观适用的建筑结构提供出来，满足人们不断增长的物质需求，积极地发挥出高层建筑结构的经济效益和社会效益。

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