基于高層建筑結構的設計分析
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摘要：隨著城市化發展以及建筑用地的逐漸減少，高層建筑將日益增多。高層建筑的結構設計不僅應保障高層建筑具有足夠的安全性，而且還應保障結構的經濟性與合理性。該文圍繞高層建筑結構，闡述了高層建筑結構設計特點及對結構體系和結構進行了分析，最后指出高層結構建筑的發展方向。
關鍵詞：高層建筑 結構特點 結構體系
1.高層建筑結構設計的意義及特點
高層建筑結構設計的意義在于高層建筑能做到結構功能與外部條件相一致，充分展現先進的設計，發揮結構的功能并取得與經濟性的協調，更好地解決構造處理，用概念設計來判斷計算設計的合理性。
高層建筑結構設計的特點，就是將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、機電管道的設置、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：
水平力是設計主要因素。在低層和多層房屋結構中，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；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。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。
側移成為控制指標。與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。
抗震設計要求更高。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、大震不倒。
軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整；另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安壘的結果。
2.高層建筑結構體系
高層建筑結構體系最重要有兩大體系。一是筒體體系，凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系。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。二是剪力墻體系，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。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。在體系中框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力?？蚣芗袅w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能建高度要大于框架體系。 當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結構，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高,有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結構體系，能建高度大于框架或框架剪力墻體系。
3.高層建筑結構分析
高層建筑結構分析的基本假定。彈性假定。目前工程上實用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下，結構通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時，往往會產生較大的位移，進入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計算內力和位移時不能反映結構的真實工作狀態的，應按彈塑性動力分析方法進行設計。剛性樓板假定。許多高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計。一般來說，對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是，對于豎向剛度有突變的結構，樓板剛度較小，主要抗側力構件間距過大或是層數較少等情況，樓板變形的影響較大。特別是對結構底部和頂部各層內力和位移的影響更為明顯?？蓪⑦@些樓層的剪力作適當調整來考慮這種影響。
高層建筑結構靜力分析方法?？蚣芗袅Y構?？蚣芗袅Y構內力與位移計算的方法很多，由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同?？蚣芗袅Φ臋C算方法，通常是將結構轉化為等效壁式框架，采用桿系結構矩陣位移法求解。
剪力墻結構。剪力墻的受力特性與變形狀態主要取決于剪力墻的開洞情況。不同類型的剪力墻，其截面應力分布也不同，計算內力與位移時需采用相應的計算方法。剪力墻結構的機算方法是平面有限單元法。此法較為精確，而且對各類剪力墻都能適用。但因其自由度較多，機時耗費較大，目前一般只用于特殊開洞墻、框支墻的過渡層等應力分布復雜的情況。
筒體結構。筒體結構的分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為三類：等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析。
4.高層結構建筑的發展方向
當代鋼結構為發展高檔住宅的主要技術。而作為產鋼大國的中國，盡管在北京、上海、天津、湖南、安徽等地建成了一批鋼結構的住宅示范試點工程，但較之外國鋼結構在建筑領域的普遍推廣仍然有著明顯的差距。專家認為，這主要是受到我國原料成本與市場需求的制約。根據我國現有的鋼結構發展水平，鋼結構的建筑每平方米建筑成本在2000元以上，其建筑原料造價要比鋼筋混凝土建筑高10%～20%左右。所以對于低層住宅而言，采用傳統的鋼筋混凝土技術就足以實現標準住宅的要求，良好的性價比也更適宜居民的消費觀念和市場的運營模式。但對一些大跨度的高層建筑，如美國的世貿中心、上海的金茂大廈、深圳的地王大廈以及北京的京廣中心等，就應該借助鋼結構的優越性來擺脫成本造價的桎梏。
鋼結構建筑較鋼筋混凝土結構在基礎造價上可節約30%，房屋面積利用率較混凝土高7%～10%，而且施工工期也可縮短約30%，真正實現了在“金土地”上的價值再創造，此外在一定程度上也使整個建筑產業由勞動粗放型向技術密集型轉化，因此鋼結構逐漸成為現代高層建筑的新寵兒。
目前很多鋼材生產商和房產開發商已經利用鋼結構的巨大市場潛力來優化產業結構，樹立企業品牌。而國家各項政策的引導和市場的規范化管理更成為了鋼結構建筑發展的強心劑。京、浙、滬、魯等城市對鋼結構住宅示范工程的大力推廣，標志著我國創新型的綠色建筑已步入了一個新的發展階段。同時，建筑產業的飛速發展也對我們的鋼結構技術提出了更高的要求。因此，打破傳統建筑觀念，解決鋼結構現存的各種問題，揚長避短，更好地發揮其優勢，相信，在不遠的將來鋼結的綠色建筑會成為中國高層建筑的主要潮流。
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