摘 要：我国经济的飞速发展与激烈化商业竞争，促使了高层建筑的出现和发展。随着高层建筑规模的不断扩大，建筑高度的不断增加，其结构体系越来越多样化，建筑功能及类型也越来越复杂，这就给高层建筑结构设计提出了新的机遇与挑战，本文主要就高层建筑结构设计中的相关问题进行了深入的分析，望能为同行业工作人员提供一定的参考和帮助。
关键词：高层建筑；结构体系；结构设计
Abstract: The rapid development of China's economy and the fierce business competition, led to the emergence of the high-rise building and development. With the continuous expansion of the scale of the high-rise buildings, building height increasing, the structure of the system more and more diversified, building functions and types are more complex, this gives the structure design of high-rise building presents new opportunities and challenges, the paper analyzed related problems in the structure design of high-rise building, can look for the same industry staff to provide some reference and help.
Key words: high-rise building; structural system; structure design
中图分类号：文献标识码：文章编号
1 常用高层建筑结构体系受力特点分析
1.1 框架结构。框架结构体系它是由基础、楼板、柱、梁这4种承重构件所组成的。基础、柱和梁一起构成平面框架是主要的承重结构。框架结构建筑平面布置灵活,可形成较大的建筑空间,建筑立面处理也较方便;整体性、抗震性能好,具有较好的塑性变形能力。但是,框架结构侧向刚度小,当层数过多时,会产生过大的侧移,从而差限制了框架结构的建造高度。
1.2 框架一剪力墙结构。高层建筑结构设计中通常采用的是框架一剪力墙结构体系,即把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系,竖向荷载由框架和剪力墙等竖向承重单体共同承担,水平荷载则主要由剪力墙这一具有较大刚度的抗侧力单元来承担。剪力墙的设置,大幅增加了高层建筑结构的抗侧力刚度,使其水平侧向位移大幅减小;同时,框架-剪力墙结构的协同工作使各层层间变形趋于均匀,所以框架一剪力墙结构体系的建筑能建高度要显著高于框架结构。
1.3 剪力墙结构。由墙体承受全部水平作用和竖向荷载的结构体系称为剪力墙结构体系。剪力墙结构体系属于明显的刚性结构,且传力均匀、直接。其结构的强度和刚度都相对较高,但同时也具有一定的延性。结构在台风、地震作用等水平大荷载作用下,结构的侧向位移能有效控制,具有良好的结构整体性能,抗倒塌能力强,其能建高度大幅高于框架或框架一剪力墙结构体系。
1.4 筒体结构。筒体结构体系由筒体为主的结构称为筒体结构。筒体结构体系的高层建筑结构具有非常大的强度和刚度,结构体系中各构件的受力分配合理,抗风、抗震性能相对框架一剪力墙结构、剪力墙结构更强,往往应用于大空间、大跨度要求的高层、超高层建筑结构设计中。
2 各类结构体系采用的分析方法
2.1框架一剪力墙体系。框架一剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。框架一剪力墙的计算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。
2.2剪力墙体系。剪力墙的受力特性与变形状态主要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单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。但因其自由度较多，计算机资源耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支剪力墙的转换层等应力分布复杂的情况
2.3筒体结构。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:等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。
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。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析。这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。具体应用包括等代角柱法、展开平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子结构法。比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆—薄壁杆系矩阵位移法。这种方法将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构。空间梁柱每端节点有6个自由度。核心筒或剪力墙的墙肢采用符拉索夫薄壁杆件理论分析，每端节点有7个自由度，比空间杆增加一个翘曲自由度，对应的内力是双弯矩。三维空间分析精度较高，但它的未知量较多，计算量较大，在不引入其它假定时，每一楼层的总自由度数为6Nc+7Nw（Nc、Nw为柱及墙肢数目）。通常均引入刚性楼板假定，并假定同一楼面上各薄壁柱的翘曲角相等，这样每一楼层总自由度数降为3（Nc+Nw）＋4，这是目前工程上采用最多的计算模型。
3 高层建筑结构设计中常见问题分析研究
3.1结构选型中常见的问题。一是结构的规则性问题。与旧规范相比，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，而且新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案”。因此，结构设计工程师在设计上要严格遵守新规范的要求，避免不必要的麻烦。二是嵌固端的设置问题。由于高层建筑一般都带有人防和地下室，嵌固端有可能设置在人防顶板，也可能设置在地下室顶板等位置。三是结构的超高问题。随着建筑物高度的增加，导致了很多影响因素的有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，发生了质变，比如力学模型选取、材料性能、延性要求、荷载取值、安全指标等，因此，结构设计工程师在设计的过程对该项控制因素应该严格注意
3.2结构分析与计算中常见的问题。一是结构整体计算的软件选择。由于各种软件在计算模型上存在着一定的差异，从而导致了计算结果存在或多或少的差异。因此，结构工程师在设计工作中首要的工作就是依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件，如果选择了不合适的计算软件，不但会浪费大量的时间和精力，而且有可能使结构有不安全的隐患存在。二是振型数目是否足够。与旧规范相比，在新规范中增加一个振型参与系数的概念，而且还明确指出该参数的限值。结构的层数与振型数的多少有关，因此，在计算分析阶段必须对计算结果中该参数的结果进行判断，并决定是否要调整振型数目的取值。三是考虑是否需要分开计算，非结构构件的计算与设计。对高层建筑进行计算分析时结构工程师必须要考虑是将结构人为地分开进行计算，还是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算。如果多塔间刚度相差较大，可能出现即使振型参与系数满足要求的情况，但是这也有是地震力计算误差造成，因此导致结构出现不安全的隐患。在高层建筑中，会存在一些由于建筑功能或美观要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件，比如高层建筑屋顶处的装饰构件等，因为高层建筑的风荷载和地震作用均较大，因此，结构设计工程师在设计的过程必须严格按照新规范要求对非结构构件进行计算处理再进行设计。
3.3连梁超筋问题。连梁超筋是剪力墙结构设计中一种常见现象。计算剪力不满足剪压比要求从而导致了连梁超筋。连梁易超筋的部位，某墙段中，在大墙肢上的连梁易超筋，由于墙肢截面高度大小悬殊不均匀所造成； 平面中，当墙段较长时其中部的连梁易超筋； 一般剪力墙结构中，在楼层总高度 1/3处连梁易超筋。
3.4轴压比的问题。在钢筋混凝土高层建筑结构中，通过增大柱的截面来控制柱的轴压比，即使使用高强混凝土，也不能明显减小柱断面尺寸。限制柱的轴压比的目的是为了防止受拉钢筋未达屈服而混凝土被压碎。如果柱的塑性变形能力小表明其结构的延性很差，也就说抗震能力差，遭遇地震时结构容易被破坏。但是如果在结构中保证强柱弱梁设计，使其具有良好延性，此时可放松轴压比限值。
4 结语
随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式，材料，力学分析模型都将日趋复杂多元，为了革新高层建筑，设计者和工程师应追求新的结构形式和更加合理的力学模型，以实现建筑主体更优化。
参考文献：
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