高层建筑结构的设计原则范文
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第1篇
关键词：高层建筑；结构设计；策略
Abstract: with the rapid development of economy, high-rise buildings in most of our cities also have emerged. For high-rise building structure is concerned, its choice of structural system, and more importantly and load factors, therefore, this paper discusses the structure of the high-rise building design must first with different structure system based on the influence of, choose the most reasonable scheme.
Keywords: high building; Structure design; strategy
中图分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：
1高层建筑结构设计的原则
适用、安全、经济、美观、便于施工是进行高层建筑结构设计的原则。一个优秀的建筑结构设计往往是这五个方面的最佳结合。完美的建筑结构设计就是在努力追求这五个方面的最佳结合的过程中产生的,适用、安全、经济、美观、便于施工是结构设计人员最终努力的目标,是结构设计的最佳体现。
夜上海论坛 结构设计一般在建筑设计之后,“受制”于建筑设计,但又“反制”于建筑设计。结构设计不能破坏建筑设计,应满足、实现各种建筑要求;高层建筑设计不能超出结构设计的能力范围,不能超出安全、经济、合理的结构设计原则。结构设计决定高层建筑设计能否实现,从这个意义上讲,结构设计显得更为重要,虽然一栋标志性建筑物建成后,人们只知道建筑师的名字,但一个适用、安全、经济、美观、便于施工的结构设计也是工程师们的骄傲和成就。
夜上海论坛 2高层建筑结构设计的特点
高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各
夜上海论坛 专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平
面的布置、立面体形、楼层高度、施工技术的要求、施工工期长短和投
夜上海论坛 资造价的高低等。其主要特点有：
夜上海论坛 2.1 水平力是设计主要因素
夜上海论坛 在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比（N=WH）；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比(水平均布荷载：M=1/2qH2，水平倒三角形荷载：M=1/3qH2)，如图一示。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。
2.2 侧移成为设计的控制指标与低层或多层建筑不同，结构侧移成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与建筑高度H 的4 次方成正比：
此外，高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，在设计夜上海论坛中不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，否则会产生以下情况：①因侧移产生较大的附加内力，尤其是竖向构件，当侧向位移增大时，偏心加剧，因P- 效应而使结构产生的附加内力，甚至破坏；②使居住人员产生不安全感；③使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用。
2.3 抗震设计要求更高，延性成为结构设计的重要指标有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、中震可修、大震不倒。结构的抗震性能决于其“能量吸收与耗散”能力的大小，即决于结构延性的大小。延性是表示构件和结构屈服后，具有承载能力不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能，通长采用延性系数μ来衡量延性的大小，μ=u/y如图2。
3.3概念设计与理论计算同等重要
概念设计是指一些难以做出精确力学分析或在规范中难以具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，做出判断，以便采取相应措施。概念设计带有一定经验性。高层建筑结构的抗震设计计算是在一定假定条件下进行的。尽管分析的手段不断提高，分析的原理不断完善，但是由于地震作用的复杂性和不确定性，地基土影响的复杂性和结构体系本身的复杂性，可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多。尤其是当结构进入弹塑性阶段之后，会出现构件的局部开裂，甚至破坏，这时结构就很难用常规的计算原理去进行内力分析。实践表明，在设计中把握好高层建筑的概念设计，从整体上提高建筑的抗震能力，消除结构中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和结构措施，才能设计出具有良好抗震性能的高层建筑。将注重概念设计作为高层建筑结构的最高原则提出其主要内容为：应特别重视建筑结构的规则性(包括平面规则性和竖向规则性)；合理选择建筑结构体系包括：a.明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；b.避免因部分结构构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力、风载和地震作用的能力；c.结构体系应具备必要的承载能力和良好的变形能力，从而形成良好的耗能能力；采取必要的抗震措施提高结构构件的延性。
3高层建筑的结构体系
3.1框架结构体系
由梁、柱、基础构成平面框架，它是主要承重结构，各平面框架再由梁联系起来，形成空间结构体系。框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业厅、教室等。需要时，可用隔断分割成小房间，或拆除隔断改成大房间，因而使用灵活。外墙采用非承重构件，可使立面设计灵活多变。但是框架结构本身刚度不大，抗侧力能力差，水平荷载作用下会产生较大的位移，地震荷载作用下较易破坏。不高于15层宜采用框架结构，可以达到比较好的经济平衡点。
3.2剪力墙结构体系
夜上海论坛 剪力墙结构体系是利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构体系。墙体同时作为维护及房间分隔构件。剪力墙间距一般为3～8m，现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求容易满足，适于建造较高的高层建筑。而且其抗震性能良好，在历次的地震中，都表现了很好的抗震性能，震害较少发生，程度也很轻微。但是剪力墙结构间距不能太大，平面布置不灵活，而且不宜开过大的洞口，自重往往也较大，不是很能满足公共建筑的使用要求，而且其成本也较大。
夜上海论坛 3.3框架－剪力墙结构体系
框架－剪力墙结构体系由框架和剪力墙组成。剪力墙作为主要的水平荷载承受的构件，框架和剪力墙协同工作的体系。在框架－剪力墙结构中，由于剪力墙刚度大，剪力墙承担大部分水平力（有时可以达到80%~90%），是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承受竖向荷载，提供较大的使用空间，同时承担少部分水平力。由于有了剪力墙，其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙和外墙） 的损坏。这样无论在非地震区还是地震区，都可以用来建造较高的高层建筑。还可以把中间部分的剪力墙形成筒体结构，布置在内部，外部柱子的布置就可以十分灵活；内筒采用滑模施工，的框架柱断面小、开间大、跨度大，很适合现在的建筑设计要求。
夜上海论坛 除了上述的几种结构体系外，还有其他一些结构体系，如薄壳、膜结构、网架等。随着时代的进步，会涌现出越来越多更好的结构体系。这就需要不断学习，从各方面考虑运用经济合理的手段到达目标。
4结语
夜上海论坛 总之，高层建筑的高度和数量，从一个侧面反映一个国家科学技术水平和经济发展程度但对于高层建筑亦应适当控制，即要与原有建筑相协调，还要与城市历史特点相协调。
参考文献
[1]吴晓琳。浅析高层建筑结构设计与特点[J]。中国高新技术企业，2009（11）
第2篇
夜上海论坛 关键词：高层建筑、结构设计、选型原则、特点
一、高层建筑结构型式
高层建筑结构的结构型式繁多，框架、剪力墙、框架-剪力墙结构体系是高层钢筋混凝土建筑结构中较为传统的、广为应用的结构体系。随着层数和建筑高度增加，利用结构空间作用，又发展了框架-核心筒结构、筒中筒结构、多筒结构和巨型结构等多种结构体系。
二、高层建筑结构选型设计原则
夜上海论坛 2.1 功能适应性原则
不同功能的建筑，往往要求具有不同的功能空间特征；不同的结构体系型式，并能够提供不同的空间布置；不同的内部空间特征又要求不同的结构与其相适应。
2.2 刚度合理性原则
夜上海论坛 不同的结构体系往往具有不同的刚度和承载力，也有使其整体综合性能得到较好发挥的高度适应范围。一般来说，框架结构适用于设防烈度低的层数较少的高层建筑；框架-剪力墙结构和剪力墙结构适用于各种高度的建筑；在高度较大或设防烈度高时，可采用筒体结构等。
2.3 空间整体性原则
建筑结构系统是一个由多个子结构及其若干组成构件组成的空间结构体系。一个结构的抗震能力不仅取决于各子结构及相应构件的强度、刚度、延性及其受力状态，而更主要地取决于保证这些子结构、构件协同工作的能力或空间整体性。
2.4 施工方便性原则
夜上海论坛 不同的结构型式决定着结构的施工工艺、施工难度、施工工期及可能的施工质量。
三、高层建筑结构设计的几个特点
夜上海论坛 水平荷载起控制作用，侧向位移必须加以限制，轴向变形在侧移中占有很大的份额，所以在结构体系选型时应充分考虑这几个特点。对于低层、多层或高层建筑，其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的。但随着高度的增加，由于以下两个原因，竖向结构体系成为设计的控制因素：一个是较大的竖向竣工体系要求有较大的柱、墙和井筒；另一个更重要的原因是，侧向力所产生的倾覆力矩和侧向变形要大得多，高层建筑结构设计人员必须以精心设计来保证。
夜上海论坛 四、高层建筑结构的关键设计
4.1 框架结构
（1）基础系梁的设置问题。在设计工作中，存在下述情况之一时，宜沿两个主轴方向设置基础系梁：1）一级框架和Ⅳ类场地的二级框架。2）各柱在重力荷载代表值作用下的压应力差别较大。3）基础埋置较深，或各基础埋置深度差别较大。4）地基主要受力层范围内存在软弱黏性土、液化土层或严重不均匀土层时（详建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）第6.1.11条）。如果基础埋置深度较深时，可以用基础系梁减少底层柱的计算长度，在±0.000以下设置系梁，此时系梁宜按一层框架梁进行设计，同时系梁以下的柱应按短柱处理。
夜上海论坛 （2）框架结构薄弱层的判定与处理。薄弱层是对抗震极为不利的结构层，原则上应避免出现薄弱层。避免出现薄弱层的最基本方法是加大该层的抗侧移刚度，即加大该层的柱截面或梁截面；如果条件允许，可以改变该层层高。当无法避免出现薄弱层时，在结构计算和出图时必须按照规范规定采取相应的措施。
4.2 剪力墙结构
夜上海论坛 剪力墙是一种有效的抗侧力构件，剪力墙结构体系、框架剪力墙结构体系、筒体结构体系中，剪力墙都是作为主要的承重结构单元，因此，剪力墙的截面设计是高层混凝土结构设计的重要部分。在地震区剪力墙除保证有足够的承载力外，还要保证有足够的延性，以提高整个结构的耗能能力，改善结构的抗震性能。在剪力墙墙肢截面设计时，当纵横向剪力墙连成整体共向工作时，可将纵墙的一部分作为横墙的翼缘加以考虑。同时也可将横墙的一部分作为纵墙的翼缘予以考虑。在框架剪力墙结构中，剪力墙常常和梁柱连一体，形成带边框剪力墙。因此，剪力墙墙肢常常按矩形截面、T形截面或工字形截面进行设计。
夜上海论坛 4.3 框架剪力墙结构
夜上海论坛 当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架剪力墙体系。框架剪力墙结构体系是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。这种结构既具有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架剪力墙体系的最大适用高度要大于框架体系。
4.4 筒体结构
凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、框架-核心筒、筒中筒、成束筒等多种形式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。以框架-核心筒结构为例。核心筒应具有良好的整体性，墙肢宜均匀、对称布置，筒体角部附近不宜开洞，当不可避免时，筒角内壁至洞口应保持一段距离，以便设置边缘构件，其值不应小于500mm和开洞墙的厚度；核心筒外墙的截面厚度不应小于层高的1/20及200mm，对一、二级抗震设计的底部加强部位不应小于层高的1/16及200mm。剪力墙的截面厚度应满足墙体稳定验算要求，必要时增设扶壁墙；在满足承载力要求，以及轴压比限值时，核心筒内墙可适当减薄，但不应小于160mm。
4.5 强调“三强三弱”
为体现抗震概念设计思想，按照建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）要求应实现“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”，使其具有较好的变形能力。规范虽然列出了许多具体核算公式，但由于种种原因目前还存在将梁超计算配筋或加大截面而柱筋及截面不变的情况，这就很难保证“强柱弱梁”实现，而且实际结构中转换层、刚性层大梁以及楼板的存在，要真正实现“强柱弱梁”的概念很困难；设计中局部尺寸或荷载有改变时，有的设计人员习惯于增加纵筋而不改善箍筋，则很难保证“强剪弱弯”；设计人员往往对构件进行大量计算，增强构件，而对节点不过细考虑。施工时节点区缺少箍筋甚至无箍筋的情况非常普遍。因此，要使“三强三弱”概念得以实现，首先应对规范目前核算公式改进使其实用，如采用“实配反算法”来保证，否则公式概念虽然正确但因不易操作不实用，而成为虚设；其次，设计人员应认识到“三强三弱”概念在抗震设计中的重要性，精心设计使所设计的结构具有良好的抗震能力。
第3篇
关键词：高层建筑；结构设计；原则
夜上海论坛 1高层建筑结构设计特点简析
1.1轴向形变不容忽视
通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了。由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上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内力数值与分布产生显著的改变。
夜上海论坛 1.2侧移成为控制指称
与低层建筑不同，结构侧移己成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。设计高层结构时，不仅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；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。这是因为高楼的使用功能和安全，与结构侧移的大小密切相关：
1.3结构延性是高层建筑设计重要性质
夜上海论坛 延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示。对于受弯构件来说，随着荷载增加，首先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，受压区高度减小，受压区混凝土压碎，构件最终破坏。从受拉钢筋屈服到压区混凝土压碎，是构件的破坏过程。在这过程中，构件的承载能力没有多大变化，但其变形的大小却决定了破坏的性质。提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力。高层建筑相对低层结构而言，结构设计更柔一些，如果遇到地震，震动作用下的建筑结构变形更大一些。为了做好防震设计，避免倒塌，建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，特别需要在构造上采以适当的设计，确保建筑设计具有很好的延性。
2建筑结构设计要考虑到经济性
建筑结构经济性包括内容注重经济性的建筑设计包含非常广泛的内容。传统中只强调改进建筑材料保温性、改善建筑体形系数、提高建筑材料的气密性等一系列节能降耗措施，现在建筑随着形势的发展，人们对居住环境不仅从结构性出发，更要在建筑结构的经济性角度考虑，如空间组织、技术组织、结构设置、能源与资源利用，以及建筑循环再利用等方面全面地确立经济性的原则、方法。
3抗震设计原则
3.1等强度与耗能设计原则
夜上海论坛 在结构设计的过程中，一定要避免设计不当, 造成在地震力作用下部分主要构件破坏,或是整幢建筑物连续破坏的局面,故结构整体设计要注意加强薄弱部位,尽量做到等强度。 如角柱的配筋适当加强,防止角柱先破坏,以免引起其它部位的破坏。
3.2 结构延性设计原则
地震区搞设计必须对结构延性有清晰的概念。结构延性一般用延性系数来表示,它表示的是结构破坏变形(位移、转角、曲率)与屈服变形Y的比值。即:u=u/y延性越大, 则结构在强震下可忍受大的塑性变形而不致倒塌、 破坏,即结构延性好。因此在结构设计中应注意钢筋级别、配筋率大小、构造措施等。
夜上海论坛 3.3强柱弱梁设计原则
夜上海论坛 这个原则在框架结构抗震设计中是很重要的原则, 其目的是为了保证在强震下,框架结构的塑性铰在梁上产生,而不发生在柱上。使结构在强震时能降低地震对结构的作用。增大结构延性,使框架产生塑性变形。
3.4充分考虑地震耦合作用
地震是非平稳随机过程,它对建筑物作用是综合的,不是单一的,是水平,垂直、 扭转三个分量同时作用的,我们应充分考虑地震的耦合作用。
4抗风设计原则
风作用是外界施加在建筑物上的作用, 是从空中传递过来的,风作用使建筑物受到双重作用: 一方面风力使建筑物受到一个基本上比较稳定的风压力;另一方面风又使建筑物产生风力振动。风作用具有静力和动力双重性质, 在建筑结构设计时我们应充分予以考虑, 对风作用我们应采取以下措施来改善建筑物抗风的能力:
(1)保证足够的刚度及强度,承受风作用下产生的内力,控制建筑物的位移。
(2)选择合理的结构体系和建筑体型,园形、 正多边形平面可以减小风压数值。
(3)尽量采用对称的平面形状和对称的结构布置,以减小风力产生的扭转作用影响。
夜上海论坛 (4)外墙、窗玻璃、女儿墙及其它周围装饰构件必须有足够的强度,并有可靠的连接,防止产生建筑局部损坏。 市综合技术大楼抗风设计基本上是按照上述措施进行的,建筑平面为矩形,结构布置也是左右对称的,质心和刚心基本重合。
5适宜刚度
建筑结构设计中,刚度的大小直接影响到结构设计的合理性。调整刚度中心是解决扭转的有效途径在大量的工程设计实例中发现。对于高层建筑,即使结构布置是对称的,由于质量分布很难做到均匀对称,质心和刚心的分离是在所难免的。 当建筑层数很多时,上部各层偏心引起的扭转效应在下层的积累更对下部几层不利。即使是很对称的结构或正交结构,周期比也会不满足规范。因此在结构布置时,除了要求各向对称外,还应使结构具有较大的抗扭刚度。 增加四周结构的刚度,在结构增加墙体、减少核心简的刚度、增加连梁的高度等可以控制周期比,使结构的扭转周期靠后,从而满足规范要求。刚度大小基本上可从自振周期、 总位移得到反应。周期小、位移小则刚度大,反之则刚度小。我们要确定一个适宜刚度,就要用位移、自振周期控制,要通过几次或多次试算后方可得出一个适宜刚度。
参考文献
