高层建筑结构设计及工程结构选型研究

高层建筑是最近几十年发展起来的一种建筑工程。在我国住房需求较大、土地资源逐渐匮乏的情况下，高层建筑的推出不仅解决了人们住房问题，还节约了土地资源。因此，近些年越来越多的高层建筑伫立在城市中。但因高层建筑的楼层高且功能、类型日益复杂，可能出现高层建筑结构设计或结构选型不当的情况，导致高层建筑存在一定的安全隐患，威胁着人们的生命健康和财产安全。对此，建筑行业必须从建设安全建筑的角度出发，深入研究高层建筑结构设计与结构选型。

1高层建筑结构分析与设计

1.1结构分析与设计基本特点

1.1.1水平荷载成为决定因素。任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。相对于低层建筑来说，高层建筑所承受的垂直荷载和风产生的水平荷载对建筑结构的影响较大。而对比垂直荷载和水平荷载的作用，水平荷载的决定性作用更大。究其原因：

（1）高层建筑自重和楼面使用荷载在建筑构件中产生的轴力与弯矩的数值，仅与楼房高度成正比。而水平荷载作用在建筑结构所产生的力矩和水平荷载作用在竖构件上所产生的轴力，都与楼房高度成正比，对高层建筑结构的影响更大。

（2）从竖向荷载的风荷载和地震在高层建筑中的作用情况来看，两者将直接影响建筑结构动力特性，随着作用效果的增大，建筑结构动力特性变化幅度不断增大。

1.1.2轴向变形。基于结构力学理论知识，可以确定结构构件位移公式为：基于以上公式，可以确定结构构件位移将对连续梁弯矩、构件剪力和侧移有很大影响。原因就在于建筑结构构件变形，会使得轴向变形，差异轴将会使得连续梁中间支座处的副弯矩值发生改变。而对于构件剪力和侧移的影响，则是按照矩阵位移法来分别考虑竖向杆件的轴向变形或不变形两种情况，确定构件剪力和侧移的确会受轴向变形所影响。

1.2高层建筑结构体系类型

1.2.1框架—剪力墙体系。框架—剪力墙体系是在框架体系强度和刚度不能满足要求的情况下提出的。主要是通过设置剪力墙来替换部分框架，进而满足标准要求。在框架—剪力墙体系中，剪力墙设置的主要目的是增强结构侧向刚度，负责承受水平荷载，加之框架所承受的垂直荷载，整个高层建筑位移情况将大大减小。

1.2.2剪力墙体系。整个高层建筑受力主体结构均有平面剪力墙构件组成的情况被称为剪力墙体系。因剪力墙体系属于刚性结构，其强度和高度较高且有一定的延性，使得其是一个良好的结构体系，能够承担高层建筑水平荷载和竖向荷载，保证高层建筑稳定。

1.2.3筒体体系。单筒体、筒中筒、多束筒等多种形式的通体体系均是以筒体作为抗侧力构建的构建体系。筒体是一种空间受力构件，但因其内部填充情况，可以使得其受力程度发生改变。所以在利用筒体体系中，可以根据风力、地震强度来合理设置筒体，促使其构件受力合理，提升高层建筑的稳定性。

1.3高层建筑结构分析与设计方法

1.3.1结构分析中常用的基本假定。高层建筑结构是由竖向抗侧力构件通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。精准的安装三维空间结构进行高层建结构分析是比较困难的。此时可以利用基本假定的方法来简化分析结构，可以得到准确且有效的结论。常用的基本假定有：

（1）弹性假定。在高层建筑结构受到垂直荷载或风力作用的情况下，结构处于弹性工作阶段。假定建筑结构处于弹性状态，那么建筑结构在遭到地震或强风的作用下，结构位移程度较大，且可能出现裂缝的情况。利用弹性方法计算此种假定情况下结构内力和位移，可以真实反映高层建筑结构的工作状态。

（2）小变形假定。诸多学者认为小变形假定应当利用非线性问题来了解高层建筑结构变化情况，也就是分析高层建筑结构在地震或风力作用下，假定顶点水平位移与建筑高度的比值为1/500时，分析高层建筑的非线性问题，从而明确高层建筑结构在垂直荷载和水平荷载的作用下结构的变化情况。

1.3.2各类结构体系采用的分析方法。对于框架—剪力墙体系的分析，主要是采用连梁连续化假定，也就是根据剪力墙与框架位移协调条件，建立位移与外荷载之间关系的微分方程，对其进行求解，如此可以了解框架、剪力墙水平位移情况。而对于剪力墙体系的分析，最好采用平面有限元法，可以对不同类型的剪力墙结构进行计算和分析，明确剪力墙的转换层等应力分布情况。筒体体系分析中常采用的分析方法有等效连续化方法、等效离散化方法、三维空间分析法。这三种分析方法的应用需要根据不同分析方法的特点及筒体结构类型，规范、合理地运用分析方法，从而了解筒体结构的应力变化情况。

26度区高层建筑结构选型研究

为了实现6度区双塔高层建筑合理的、科学的结构选型，笔者将从以下三方面展开：

2.16度区双塔高层建筑说明

6度区双塔高层建筑是由两个高层建筑组成的，总建筑面积约9万m2，分别是33层和32层，地下室是两层。1号楼底下三层为商业楼，上部为住宅楼，1号楼采用部分框支剪力墙结构，三层设高层转换满足建筑功能。本建筑高层采用的是带转换层高层建筑结构，部分建筑结构采用框支剪力墙结构。为了应用需要，将转换层设置在3层，同时为满足相关技术标准，对高层建筑框支柱、剪力墙底部进行了强化，使其达到一级抗震标准。2号楼为一般住宅楼，采用剪力墙结构。地下为停车场，1号楼1、2、3层商业建筑面积为1850.81m2；5～33层设为居民建筑，建筑面积为1192.67m2。2号楼32层建筑均设为居民建筑，其中1层的建筑面积为853.22m2；2～32层的建筑面积为871.98m2。

2.2高层建筑结构体系方案的比较

基于以上内容的概述，考虑到建筑高度、功能、抗震、经济性等因素，采用框架—筒体结构体系和剪力墙结构体系均比较适合。为了使6度区双塔高层转换层在转换层层高情况下更好地满足建筑功能的使用，笔者将对以上两种高层建筑结构体系方案进行分析比较，选择最佳的结构体系方案。

2.2.1框—筒结构体系。由于结构平面布置需要充分考虑水平荷载和竖向荷载抵抗情况，在结构平面布置规则对称的同时，也考虑其刚度的对称，在矩形中部设置楼电梯井筒体，再根据建筑平面对称布置框架。为了保证双塔高层建筑1号楼采用部分框支剪力墙结构，三层设高层转换满足建筑功能，2号楼剪力墙结构，能够抵抗地震作用，对结构纵横两个主轴方向进行抗震设计，也就是将梁和柱的中线进行重合设计，促使梁和柱直接传力，减少主轴偏向，带来不利影响。

2.2.2剪力墙结构体系。基于6度双塔高层建筑的规划方案，为了避免双塔高层建筑在转换层层高情况下建筑结构可以有效抵抗水平荷载和竖向荷载，促使高层建筑依旧更好地满足建筑功能的使用要求，1号楼三层设高层转换满足建筑功能，需要增强剪力墙结构体系，因此对剪力墙的设置为：（1）合理开设剪力墙的洞口，将一道剪力分成若干墙段，洞口连梁的跨度较大，促使剪力墙和连梁的弯曲变形能力大；（2）有效控制墙肢截面的高度，避免剪力墙突变，提高剪力墙底部的强度；（3）部分框支剪力墙结构的框支层，其剪力墙的截面面积不应小于相邻非框支层剪力墙截面面积的50%。

2.3计算参数及计算软件

2.3.1设计依据及基本参数。为了高质量、高效率地建成6度区双塔高层建筑物，在设计此高层建筑的过程中，一定要遵照《建筑结构荷载规范》《混凝土结构设计规范》《建筑抗震设计规范》等，规范、合理地进行高层建筑结构选型。由于地震作用对高层建筑的影响较大，而本次高层建筑又属于A级高度建筑，在进行双塔高层建筑结构选型时，需要明确场地的特征周期、地震影响系数、地震放大系数、基本风压、地面粗糙级等方面的参数，并根据当地地质灾害的评估结果，合理分析高层建筑。

2.3.2计算软件的应用。计算软件采用PKPM-SATWE，它是专门为多、高层结构分析与设计而研制的空间组合结构有限元分析软件。利用此计算软件来分别分析框—筒结构体系和剪力墙结构体系中的相关数值，对比结构体系，从而优选适合的结构体系。对于SATWE计算软件的应用，主要是：（1）设定整体参数。根据相关标准规范及双塔高层建筑实际情况，对软件初始参数和特殊构件进行合理设置；（2）确定整体结构的合理性。也就是明确6度区双塔高层转换层在转换层层高情况下结构稳定、安全情况下的位移情况、刚度情况、刚重情况、剪重情况等，将其设定为指标，分别对两种结构体系的高层建筑转换层层高情况下各个因素的变化情况进行分析。

3结语

综合以上计算软件计算结果可以确定，结构体系对建筑使用功能的影响较大。从结构受力的角度来看，框—筒结构体系的受力越大与核心筒的大小相关；剪力墙结构体系的受力与剪力墙的强度有关。所以，综合考虑6度区双塔高层建筑的各个方面及转换层在转换层层高情况下更好地满足建筑功能的使用要求，选用剪力墙框架结构体系是非常适合的。

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