浅谈高层建筑结构设计

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　　 摘 要：文章详细介绍了高层建筑结构设计的技术特点，并结合高层建筑的结构体系以及的抗震要求对其抗震性能进行了细致分析，并且探讨了高层建筑结构设计的发展方向。
　　 关键字：抗震性能；水平力分配；内力调整；
　　
　　 一、高层建筑结构设计特点
　　 高层建筑具有极其复杂的结构特点，由于高层建筑层数多使得基础结构承受着上部建筑所受的各种荷载力，所以它则决定着整个高层建筑的结构稳定性。一般情况下高层建筑在进行设计时需要对以下几种作用力进行自行分析：
　　 （一）水平方向荷载力的决定因素
　　 由于高层建筑自身的重力和楼面使用产生的荷载力在竖直方向构件中产生的弯矩和轴力的数值与高层建筑自身高度的一次方成正比。而水平荷载力对建筑结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖直方向构件中产生的轴力数值是与高层建筑自身高度的平方成正比。而且在建筑过程中楼房的高度一般是确定的，这也就是说竖向的荷载力可以看做是一个常量，而在水平方向上受到的荷载力例如风以及地震的荷载作用，其荷载作用力的强弱是随着结构动力特性的不同而存在较大幅度的变化。
　　 （二）高层建筑的轴向变形
　　 在高层建筑中有关竖向荷载力的数值非常大，能够在柱中产生较大的轴向变形，从而引发对连续梁弯矩产生较大的影响，导致连续梁中间的支座处负弯矩值变小，跨中正弯矩之和端支座的负弯矩值增大。此外还会对预制构件的下料长度产生影响，所以需要根据轴向变形计算值，对下料长度进行适当调整。另外对构件剪力和侧移也能产生一定的影响，与构件竖直方向的变形相比较而言会得出偏于不安全的结果。
　　 （三）严格控制高层建筑的结构侧移
　　 严格控制高层建筑的结构侧移是高层建筑结构设计的关键环节，与层次较低楼房不同，随着楼房高度的不断增加，在水平方向荷载力的作用下高层建筑的侧移变形程度很大，所以对整体结构的稳定性以及安全性会产生很大的影响。因此要严格控制高层建筑结构在水平方向荷载力作用下的侧移程度，要确保结构侧移的数值变动始终不超过安全范围。
　　 （四）重视结构延性的设计
　　 建筑的层次越高在地震力的作用下发生的变形程度也越大。因此为了使高层建筑具有结构在进入塑性变形阶段后仍然可以在安全范围内发生变形，避而不发生倒塌的能力，就特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证高层建筑结构具有足够的延性。结构延性系数越大，建筑在地震作用下可以承受大的塑性变形而不至于倒塌，可以最大程度的化解地震效应，一般情况下要求延性系数要大于3。
　　
　　 二、高层建筑的结构体系分析
　　 高层建筑的整体框架设计直接影响着高层建筑的抗震性能，所以在进行实际工程设计时，需要综合考虑多种因素对方案进行优化设计，在优化过程中确定最佳的结构体系。高层建筑在抵御地震破坏时，刚度和强度起到了非常重要的作用，其中刚度是高层建筑抵抗变形能力的大，而强度则是抵抗破坏能力的大小。房屋面积小、质量轻对于地震带来的危害也相对较小，因为房屋质量小，地震力也相对较小。但要注意的是高层建筑的刚度并不是越大越好，厚实的高层建筑结构，在一定程度上可以承担更多的垂直重力荷载，但在另一方面却带来了更大的地震力，在同一栋房屋中，地震力的分配是与刚度相适应的，刚度大也就意味着具有较高的地震力。因此要格外重视高层建筑的结构体系设计。高层建筑的结构类型直接影响着高层钢结构房屋的抗震性能，所以在进行实际工程设计时，需要综合考虑多种因素对方案进行优化设计，在优化过程中确定最佳的结构体系。
　　 现阶段我国高层建筑的结构体系主要可以分为框架结构、框架支撑结构、框架抗震墙板结构、简体结构以及巨型框架结构等。框架结构体系在水平力作用下其侧移有两部分组成一部分侧移由剪力引起的柱和梁的弯曲产生，柱和梁上有反弯点，是整个结构呈现剪切型变形，框架下部各层承受的剪力大，层间位移也随之变大，上部各层剪力较小，位移也相应较小。另一部分侧移是有整个框架的悬臂作用在柱中产生轴向变形引起的，第一部分侧移是主要的，因而框架结构以剪切型变形为主，框架结构的主要缺点就是侧向刚度小，变形大这也就限制了框架结构的建造高度。剪力墙结构体系是利用建筑物墙体作为竖向承重体系，并用它抵抗水平力。框架剪力墙结构体系是当框架单独承受水平力时为剪切型变形，当剪力墙单独承受水平力时为弯曲型变形，两者通过楼板连在一起，是变形协调一致形成弯剪型变形。简体结构体系是指高层建筑所经常采用的简体结构抵抗侧向力的一种体系，它比剪力墙结构具有更大的强度和刚度。
　　 在我国高层建筑的结构体系和结构布置的选择关系到整体建筑结构的安全性、适用性以及经济性。和其他类型的建筑结构一样，高层建筑应该尽量采用规则的建筑方案，当结构体型复杂、平立面不规则时，可根据实际情况在适当部位设置抗震缝，从而形成多个规则的抗侧力结构单元，由于钢结构可耐受的结构变形大于混凝土结构，一般来说不宜设抗震缝，必须设置时，应该将建筑物分割成规则的结构单元。总之，钢结构已经普遍用于各种类型的民用建筑中，尤其是在高层房屋建筑中钢结构的应用更为广泛。相比传统的混凝土结构，钢结构在韧性、强度以及质量上都有很好的优越性，所以也具有很强的抗震性能。但是如果高层建筑在设计、材料选用以及施工制作和维护上稍有不当，则钢结构自身所具有的优越性就难以发挥，在地震作用下就会造成结构局部破坏甚至整体倒塌等灾难性后果。因此在高层建筑抗震设计中体现强柱弱梁的原则，这样可以有效地避免了结构在地震作用下支撑柱先进入塑性区破坏导致整个房屋的倒塌。这就要求通过调整结构中不同部分的地震效应或者不同构件的内力设计值，使框架具有较大的内力重分布和消耗地震能量的能力。
　　 （一）框架支撑结构中框架的水平力分配
　　 多道设防是抗震设计的重要原则，对于框架支撑结构体系，在水平地震作用下，不仅要求支撑或者抗震墙板等抗侧力构件具有较大的刚度和强度，还需求框架部分也具有一定的抗侧能力，因为在地震的作用下，支撑刚度退化将引起结构内力重新分布，此时的框架部分所负担的地震剪力增大，所以只有框架部分具有一定的安全储备时才能实现框架作为二道设防的要求。
　　 （二）框架中心支撑结构构件的内力调整
　　 支撑于框架连接处支撑杆应该呈弧形，当中心支撑的斜杆轴线偏离梁柱轴线交点不超过支撑杆件的宽度时，仍然可以按照中心支撑框架分析，但应该考虑因偏离而产生的附加弯矩。当采用人字型和V形支撑组合时，应该设置侧向支撑，梁柱与支撑连接处还应该设置加劲柱。
　　 （三）框架偏心支撑结构构件的内力调整
　　 为了确保偏心支撑框架在大地震作用下，各消能梁段发生所期望的纯剪切屈服或者梁端同时发生弯曲屈服，其他构件除柱底部形成弯曲以外其他均处于弹性状态。偏心支撑框架构件的内力设计值应该通过乘以增大系数进行调整，从而实现抗震设计的目标。此外，耗能梁段的腹板不得贴焊补强板，不得开洞，耗能梁段与支撑柱连接时还应该在其腹板两侧配置加劲柱。
　　
　　 四、结束语
　　 随着社会的快速发展，建筑工程的结构体系也越来越庞大，由于高层建筑层数多、荷载力大的特点，使其在结构设计上存在很多技术难点，针对高层建筑结构设计的一些问题和要求，从设计理念入手制定科学、合理的设计方案，从而确保实现高层建筑结构安全稳定的目标。
　　
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