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来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文 发布时间：2012-08-28浏览：14次
摘要：由于建筑工程的蓬勃发展，高层建筑的队伍不断壮大，对于设计的要求也就有所增加。本文从高层建筑的设计特点出发，以高层建筑结构设计理论为基础，得出了高层建筑的设计方法，并将钢结构的应用进行简单的介绍，最后讨论了高层建筑的抗震分析。
关键字：结构设计，高层建筑，水平荷载，结构体系
住宅是人们适应自然、改造自然的产物，也是人们为了满足家庭生活的需要所构筑的空间环境，并且随着人类社会的发展而不断演变。随着改革开放的推动，我国的综合国力也在不断提高，其中房地产业的迅猛发展，让建筑业成为社会支柱产业之一。在现代社会中，因为经济的蓬勃发展，另外还有土地资源宝贵，所以高层建筑便像雨后春笋般迅速剧增，并不断壮大。这也就要求设计领域中的队伍要不断提升，以来应对现在的发展所需。
一、结构分析与设计特点
（1）水平载荷成为决定因素
对于任何一个建筑结构都要承受风产生的水平荷载和垂直荷载的共同作用，还应具有抵抗地震作用的能力。在较低楼房中，水平荷载产生的位移和内力都很小，对结构的影响也就较小，往往让以重力为代表的竖向荷载控制着整体的结构设计；但在较高楼房中却是由水平荷载起到决定性的作用。随着楼房层数的增多，水平荷载也就越来越成为结构设计中的重要控制因素。一方面从某一高度的楼房来看，竖向荷载的地震作用和风荷载的数值，会随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化；另一方面，因为楼面使用和楼房自重荷载在竖构件中所引起的弯矩和轴力的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，是与楼房高度的两次方成正比。
（2）侧移成为控制指标
在高层建筑结构设计中结构侧移的是关键因素，由于楼层的增加，在水平荷载作用下结构的侧向变形也会逐渐增大。设计高层结构时，不仅要求具有足够的抗侧刚度，让结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，从而保证良好的居住和工作条件；还要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力。
（3）轴向变形不容忽视
在高层建筑结构中，由于楼层数多，轴力值很大，高度大，还有沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的分布与内力数值产生显著的改变。由于连续梁弯矩的影响，在采用框架体系和框--墙体系的高楼中，中柱的轴向压缩变形会大于边柱的轴向压缩变形，而框架中柱的轴压应力通常也要大于边柱的轴压应力。对于侧移和构件剪力的影响，应该和考虑竖向杆件轴向变形的剪力相比较，在不考虑竖杆件轴向变形时，结构顶点侧移减小一半以上，各构件水平剪力的平均误差可能要达到30%以上。
（4）结构延性是重要设计指标
延性是指构件和结构屈服后，在基本不降低或承载能力不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的性能，通常会用延性比来表示。对于那些受弯构件来说，它会随着荷载增加，首先要受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形，然后受拉钢筋屈服，受压区混凝土压碎，受压区高度减小，构件最终破坏。为了使建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，建筑在进入塑性变形阶段以后还会具有较强的变形能力，尤其需要在构造上采用适当的设计，以确保建筑设计具有很好的延性。
二、高层建筑结构分析与设计方法
高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（剪力墙、筒体、框架等）通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。由于对于精准的按照三维空间结构来分析高层建筑结构有很大的困难性，而各种实用的分析方法也都需要对计算模型引入不同程度的简化。通过大量数据的运算，我们制定了一些常见的基本假定：小变形假定；弹性假定；计算图形的假定；刚性楼板假定。
在框架－剪力墙结构中，内力与位移计算的方法非常多，但采用连梁连续化假定的比较多。由剪力墙与转角相等的位移或框架水平位移协调条件，可以建立外荷载和位移之间关系的微分方程来求解。因为考虑因素和采用的未知量的不同，各种方法解答的具体形式也就有所不同。对于框架－剪力墙的机算方法，一般都是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法来求解。剪力墙的变形状态与受力特性主要是取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为小开口整体墙、单肢墙、特殊开洞墙、联肢墙等各种类型。剪力墙结构的计算方法是平面有限单元法。但不同类型的剪力墙，它们的截面应力分布也就很不相同，在计算内力与位移时就应该采用相应的计算方法。筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效离散化方法、等效连续化方法和三维空间分析。等效离散化方法是把连续的墙体离散成等效的杆件，这就便于应用适合杆系结构的方法来分析；等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理；而利用三维空间结构来分析筒体结构体系，是目前较为精确的方法，其中应用最广的是空间杆－薄壁杆系矩阵位移法。
三、高层建筑中的钢结构体系
在高层住宅中，也广泛应用了钢结构，它的承重结构体系比较多,主要有以下几类:
（1）钢框架剪力墙结构体系。这种体系中一般是在钢框架内采用内埋钢支撑的预制钢筋混凝土墙板或是带竖缝的钢筋混凝土抗震墙板。它可以和室内横隔墙结合布置形成房屋的主要抗侧力构件,抗侧移刚度大。
（2）钢框架支撑结构体系。这种体系适用于抵抗小震或中震抗侧移刚度,足以承受侧向水平力。这种体系在钢框架中可以连接成支撑芯筒以获得较大的抗侧移刚度。有时还沿房屋进深和纵向布置或者沿房屋进深方向布置钢支撑。
（3）钢混凝土组合结构体系。这种体系采用方钢、钢管或是圆钢管。
（4）空间错列桁架结构体系。这种体系通常为15层--20层,但也曾用到35层--40层的建筑物中。这种体系是由跨度等于房屋总宽度，高度等于楼层高的桁架支撑在房屋外侧的纵列柱上,中间没有柱楼板分别搁置在左右桁架的上弦和下弦上,相邻上下层错列布置。所以它的纵向抗侧移刚度也很大。
四、抗震分析与设计在高层建筑的应用
为了满足地震作用下对结构的功能要求，我们在对高层设计时，有必要计算和研究结构的弹塑性变形能力。现代国内外抗震设计的发展趋势，结构弹塑性分析成为抗震设计的必要的组成部分，根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求来进行设计。
在我国高层建筑的抗震分析与设计中常见的问题有以下几种：首先是高度问题，对于高层的建筑物，我们应该采取科学谨慎的态度。随着建筑物高度的不断增加，很多影响因素都会发生质变，即一些参数本身超出现有规范的适宜范围，如延性要求、材料性能、安全指标、荷载取值等，在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏形态会发生很大的变化。其次是轴压比与短柱问题，在钢筋混凝土的高层建筑结构中，为了控制柱的轴压比而让柱的截面很大，但柱的纵向钢筋却是构造配筋。由于柱的塑性变形能力小，所以结构的延性就差，当遭遇地震时，吸收和耗散地震的能量少，结构就特别容易被破坏。第三是材料选用和结构体系的问题。在高层建筑中，我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%，然而国外特别在地震区，是以钢结构为主。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外也都还没有经受较大地震作用的考验。依据现在我国建筑钢材的品种、类型和钢结构的加工制造能力，应尽可能采用钢管混凝土（柱）结构、钢骨混凝土结构或钢结构，以减小柱断面的尺寸，并改善结构的抗震性能。第四，在一些烈度区采用了构造措施和较低的抗震措施。有人提出要在设防烈度下采用弹性设计，特别是高烈度区要有严格的抗震构造措施抗和震措施来保证结构的安全。现在不少专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要。
五、结束语
结构设计是一项集结构分析，计算机技术以及数学优化方法于一体的综合性技术工作，它不仅是一门实用性很强的工作，更是一项对国家建设有重大意义的工作。如今建筑发展更是一个集约化、高效化的综合系统工程。建筑设计者应该以当今经济现状和发展趋势为出发点，建立一个合理的、宏观的结构设计理念，合理确定建筑设计标准、经济性措施和原则，这样不仅可以满足设计的各类需求，更能改善人类的居住环境。
参考文献：
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[2]范小平．高层建筑结构概念设计中相关的几个问题应用分析[J]．福建建材，2008，（6）
[3]赵西安．高层建筑结构选型、构造及简化计算[M]．北京：中国建筑工业出版社，1989．
[4]刘文立.钢结构住宅建筑发展及结构体系分析[J].建筑技术,2009,40(2):172--174.
《浅析高层建筑结构结构设计》
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文章名称： 浅析高层建筑结构结构设计
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