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1、高层建筑结构设计的几点分析xxx（xxxx；建筑与土木工程学院；xxxxxxx；学号：xxxxxxx；xxxx）摘要：近年来，我国经济的飞速发展，人们对高层建筑的需求大大增加。对于建筑结构设计方面的要求也越来越高，高层建筑结构设计也成为了高层建筑结构工程设计中的重点与难点，因此本文章围绕着建筑结构设计的相关问题进行几点分析 ，以供大家共同探讨和学习。关键词：高层建筑；结构设计Some analysis of high-rise building structure designxxxxxxxxxxxxxxxAbstract: in recent years, the rapid develop
2、ment of Chinas economy, peoples demand for high-rise building greatly increased. The structural design requirements are increasingly high, the structure design of high-rise building has become the emphasis and difficulty of the high-rise building structural engineering design, so this article around
3、 issues related to the design of the building structure analysis, for everyone to discuss and study.Keywords: tall building; structure design1、高城建筑结构设计特点1、1 水平荷载为重要因素在高层建筑中，与低层建筑结构通常以抵抗竖向荷载为主所不同，较大的建筑高度造成了与底层结构完全不同的受力情况，所以高层结构总是要同时承受竖向荷载和水平荷载作用。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与楼房高度的两次方成正比。高层建筑楼面使用荷载和楼房
4、自重在竖向构件所引起的弯矩和轴力的数值，仅与建筑高度的一次方成正比。对某一定高度的楼房来说，竖向荷载大体是定值，但水平荷载不是定值，它随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。所以对高层建筑来说水平荷载是重要因素。1、2 结构延性为重要指标现在地震的频繁爆发使抗震性能成为高层建筑中的重要考虑因素。为了避免高层建筑的倒塌，使其具有高强的变形能力，特别需要在其构造设计上采取一定措施，来保证结构的良好延性。能做到“小震不坏，中震可修，大震不倒” 。也就是说，在强烈地震下，当结构构件进入屈服阶段后具有较强的 变形能力，能够吸收地震作用中产生的能量，并维持一定的承载力。所以对高层建筑来说结构延性是重要的指
5、标。1、3 侧向位移为控制因素 随着楼房高度的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大，结构顶点侧移与建筑高度的四次方成正比。设计高层结构时不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗推刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在规定的范围内，否则会产生因侧移产生较大的附加应力，尤其是竖向构件，当侧向位移增大时，偏心加剧，因 P-效应而使结构产生附加应力，甚至破坏。严重时会使填充墙或建筑装饰开裂或破坏，主体结构出现裂缝，影响正常使用，还会使居住人员感到不安全。所以对高层建筑来说侧向位移要控制好。1、4 轴向变形不容忽视对于高层建筑来说，其竖向荷载很大，它能够在柱中引起较大的轴向变形，使得连续
6、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，此外它还会对预测构件的下料长度、构件剪力和侧移等产生影响。所以轴向变形问题也不容忽视。2、高层建筑结构体系分析2、1 框架体系1）支撑框架纯框架结构由于其侧向刚度较小，在高层建筑主楼中应用较小，为了增加框架的侧向高度，往往加设支撑，加支撑的框架为竖向悬臂桁架，主要通过框架各构件的轴向刚度承受侧向荷载。支撑框架的几何形式主要根据它的延性特征分组，分中心支撑(CBF)和偏心支撑(EBF)。在中心支撑中，所有支汇于一点的构件将使构件中的力为轴心。它们具有大的刚度、低的延性。因此在低震活动区，首选 CBF 抵抗侧向荷载。另一方面，EBF 利用
7、轴向的偏离，在框架中引起弯曲和剪切而降低刚度对重量的比率，但增大延性。2）抗弯框架刚抗弯框架可用螺栓或全焊接头制成。根据需要的强度、延性和可靠性，可以很容易做出完全刚性焊连的构造。钢筋混凝土框架具有整体构造节点的优点，是理想的抗弯框架体系。近年来在混凝土抗弯框架中的发展越来越好，其中改善混凝土的特征配筋细部已提供增大的延性和框架构造技术应用较广。3）框架-桁架共同作用体系根据体系的高宽比，垂直桁架对约达 20 层的建筑可单独提供侧向抵抗。抗剪桁架和抗弯框架联合可产生一种框-桁共同作用体系。抗弯框架的线性风侧移，当和框架悬臂抛物线侧移组合时产生增强的侧向刚度。桁架在上部为框架所约束，而下部框架则
8、约束的桁架。右图所示为框-桁体系以及各自承受全风载剪力时的扰度曲线。 2、2 剪力墙体系利用建筑物钢筋混凝土剪力墙抵抗竖向荷载和水平力的结构称为剪力墙结构体系。因其主要用于承受水平地震力，所以也称为抗震墙，剪力墙结构的墙体同时也可用作维护及房间分隔构件。剪力墙结构体系集承重、抗风、抗震、维护与分隔为一体，适于建造较高的建筑；抗震性能好，具有承受强烈地震作用而不倒的良好性能；用钢料较省；与框架结构体系相比，施工相对简便与快速；现浇钢筋混凝土剪力墙结构在水平作用下侧向变形小，有利于避免设备管道及非结构构件的破坏；由于没有梁、柱等构件的外露与突出，空间使用率高。2、3 框架-剪力墙结构体系框架剪力墙
9、结构体系是框架和剪力墙共同作为承重结构。框架结构抗侧刚度小，剪力墙结构开间过小，自重较大。而框架剪力墙结构则避免了这些缺点，同时兼有二者的优点，既可使建筑平面灵活布置，又能给高层建筑物提供足够的抗侧刚度。相对也能节省材料及造价。在办公类高层建筑中应用相当普遍。框架剪力墙结构的布置一般有四种常用组成形式：单片式剪力墙，带边框剪力墙，单片框架和剪力墙，混合式剪力墙。框架剪力墙结构竖向荷载作用下，框架和剪力墙分别承受各自传递范围内的楼面荷载，而水平荷载则由框架和剪力墙共同承受。但由于二者在水平荷载作用下的侧移曲线不一致，框架为剪切型，剪力墙为弯曲型。四种框架-剪力墙各有特点和用途。在框架-剪力墙结构
10、体系中，其结构设计为双向抗侧立体系，主体结构不采用铰接，故框架应采用纵横双向梁柱刚接体系。剪力墙应延两个主轴方向布置并按照“均匀、对称、分散、周边”的原则来布置，尽可能使两个方向抗侧力刚度接近，除个别节点外，不应采用铰接。2、4 筒体结构体系筒体的基本形式有三种：实腹筒、框筒和桁架筒。筒体的特点是结构具有空间受力性能。无论是哪种筒体，在水平力作用下结构可看成是固定于基础上的箱型悬臂结构，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，且具有很好的抗刚性刚度。根据筒的布置、组成和数量等，筒体结构体系又可分为框架-筒体结构体系、筒中筒结构体系、成束筒结构体系。3、高层建筑结构相关安全问题3、1 结构超
11、高问题在抗震规范和高规范中，对结构的总高度有着严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略的问题。导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需开专家会议进行论证等工作情况，这些对工期、造价等整体规划的影响巨大。所以结构超高问题必须得考虑。3、2 结构设计中质量安全问题。一些建筑公司为节省开资，获取高额利润，过度节约钢材等偷工减料，不重视建筑物的质量和安全性，导致建筑物中钢材等材料的性能减弱，进一步导致建筑物的质量不过关，安全性下降。建筑公司的设计人员要高度重视建筑物的配筋率对施工过程进行实时监督，就是因为可以节省开支所以一些建筑公司不顾人们生
12、命安全使用，这些人为的情况导致质量安全问题是相当不应该的。3、3 短肢剪力墙设置问题建筑物墙肢的建筑高度与墙肢的厚度比一般在 5 至 8 之间的墙我们称之为短肢剪力墙。按照我国新出台的建筑条令规范，高层建筑结构设计新增设了短肢剪力墙的使用限制规范。因此在应用短肢剪力墙的时候，一定要合理和规范，通过科学研究进行设计。4、我国建筑发展特点4、1 高度不断增加解放以前,2030 年代, 上海、广州陆续建造了一些高层建筑, 22 层的上海大厦, 24 层的上海国际饭店等;解放后, 建成了 12 层、4714m 高的北京民族饭店,1968 年建成了 27 层的广州宾馆，70 年代建成了 17 层的北京饭
13、店新楼以及 114m 高的广州白云宾馆;80 年代开始到上世纪末,随着我国经济建设的发展,兴建了 100 多栋高度超过 150m 的高层建筑。据国际高层建筑与城市协会 2006 年出版的 5 世界上最高的 101 栋高层建筑 6 统计,落成及在建的最高的 101 栋高层建筑中,我国大陆有 20 多栋,中国大陆、中国香港、中国台湾总计 33 栋,美国也是 33 栋,数量相当,表明我国超高层建筑的数量居于世界前列。高层建筑高度的不断突破其意义不仅仅在技术的迅速发展，更加体现在带动国家经济迅速推进，是我国发展更加迅猛，相信在未来高层建筑绝对是大势所趋。4、2 结构体型日趋复杂一些业主和建筑师为了在建
14、筑工艺、建筑造型等方面体现创新，设计了众多复杂多变的高层造型，使我国高层建筑的复杂程度位于世界前列。近几年,各种新的复杂体型及复杂结构体系大量出现,如体型复杂的连体结构,楼板开大洞形成的长短柱，这些复杂的高层建筑设计超过了很多设计规范要求，以往的工程经验和震害资料都无法借鉴,需要进行更深层次的研究。特别是一些采用了国外设计师作品的项目,这些建筑设计师大部分居住在非地震区,缺乏抗震设计经验,有些建筑方案不是很合理。因此我国高层建筑设计绝大部分都要考虑抗震、抗风问题,加之体型日趋复杂,我国的高层建筑结构设计面临更大的挑战。4、3 一批新型结构体系涌现随着超高层建筑的发展,一些新型结构体系已经涌入了
15、市场，并被使用。例如已建成的330m 高的北京国贸三期主塔楼;在建的 337m 高的天津津塔;广州西塔等都采用了最新型的结构体系。另外巨型结构现在在超高层结构中被广泛采用,巨型结构利用其外框的带状桁架和巨型柱形成巨型框架,辅以必要的外立面的斜撑,使其特点被大部分建筑师开发使用，一些设计的巨型柱的尺寸往往达到 5m 以上,有的甚至超过 10m。相信随着高层建筑结构的发展,以后将会有更多比巨型结构更为新颖合理的结构体系出现。5、未来的展望5、1 高层建筑抗震设计前景展望首先是抗震设防方法改变：从振型分解反应法到时程分析法的转变，从线性分析到非线性分析的转变；从确定性分析到非确定性分析的转变。其次是
16、结构震动控制研究与应用中基底隔震、悬挂隔震、耗能减震、吸能减震等方面的研究与运用将会大力加强。接着是地震力分析理论的完善和转变：由目前应用最广的反应谱理论向动态时程发展。最后新型建筑材料的运用和计算机模拟抗震试验将得到广泛应用。5、2 抗风关键的研究随着高层建筑高度的增加,结构对风荷载更加敏感,在不少地区,抗风研究和设计已成为控制结构安全性能和使用性能的关键因素。所以我们应进一步加强对高层建筑横风向响应和等效静力风荷载、干扰效应、行人风环境以及居住者舒适度判据等方面的研究。我国在此方面还有较大差距,规范采用的风剖面在超高层建筑的高度范围内缺乏实测数据的支持。6、结束语随着时代发展的不断加快，我国的高层建筑结构设计将日趋多元化，各种新型材料也会被发掘出来，作为建筑工程师的我们面临的挑战也将越来越大，我们必须得不断学习，与时俱进，掌握新兴技术，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是我们奋斗的目标。相信未来我国的建筑市场将会发展的越来越好。参考文献1沈小璞，陈道政，高层建筑结构设计J 武汉大学出版社， 2014,1,
