土建工程师职称论文发表之高层建筑结构体系
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摘要：经济的迅速发展，建筑土地的紧张，随之高层建筑迅速崛起，建筑类型与功能的愈来愈复杂，结构体系更加多样化。笔者阐述了在高层建筑结构中的几种结构体系，分析了结构设计的特点，归纳了高层建筑结构布置原则，并提出了高层建筑应必须注意的几个设计因素，仅供参考。
关键词：高层建筑,结构体系,原则
近年来，随着我国高层建筑的快速发展，国内在高层建筑结构方面也做了许多的科研工作，取得了较好的成绩。然而在实际设计工作中，常常发生结构设计上对概念和方法的认识差错。笔者就结合自己近年来施工图设计和审查的实践经验，对建筑结构设计的相关问题进行阐述，以确保建筑物结构设计能再上一个新的台阶。
一、高层建筑结构设计特点及布置原则
1、高层建筑结构设计的特点
水平荷载起控制作用，侧面位移必须加以限制，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：一个是较大的竖向和要求有较大的柱、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剪切变形要大得多，高层建筑结构设计人员必须以精心设计来保证。
2高层建筑结构布置原则
①平面布置
在高层建筑中，水平荷载往往起着控制作用。从抗风的角度，具有圆形、椭圆形等流线形周边的建筑物受到的风荷载较小；从抗震角度，平面对称、结构侧向刚度均匀，平面长宽比较接近，则抗震性能较好。因而高层建筑的平面宜简单、规则、对称，减少偏心。
在框架—剪力墙结构中，横向剪力墙宜均匀设置在建筑物的端部附近、楼梯问、电梯间、平面形状变化处及恒荷载较大的地方。房屋纵向较长时，纵向剪力墙不宜集中在两端，以减少温度、收缩应力的影响。每榀剪力墙承受的水平力不宜超过总水平力的40％。
筒中筒结构的高宽比宜大于3，高度不宜低于60m。框筒结构高宽比宜大于4，为保证翼缘框架在抵抗水平荷载中的作用，充分发挥框筒的空间工作性能，一般要求框筒墙面孔洞面积不大于墙面总面积的50％；内筒与外筒之间的距离，对非抗震设计不宜大于12m；对抗震设计不宜大于l0m；外侧框筒柱距不宜大于层高，宜小于3m；矩形框筒的长宽比不宜大于1.5，任何情况下不应大于2。
房屋的顶层、结构转换层、平面复杂或开洞过大的楼层应采用现浇楼面；房屋高度超过50m时，宜采用现浇楼面结构；框架一剪力墙结构应优先采用现浇楼面。
②竖向布置
抗震设防区的高层建筑，竖向体型应力求规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。楼层刚度沿高度逐渐变化，没有突变。符合下列要求的建筑可视为竖向规则建筑，否则应考虑刚度突变产生的不利影响：立面局部收选艮寸不大于该方向总尺寸的25％；楼层刚度不小于相邻上层刚度的70％，且连续三层总的刚变下降不超过50％。
③变形缝设置
由于变形缝的设置会给建筑带来一系列的困难，如屋面防水、地下室渗漏、立面处理等，因而在设计中宜通过调整平面形状和尺寸，采取构造和施工措施，尽量少设缝和不设缝。当需要设缝旷，应将结构划分为独立的结构单元。当房屋长度超过限值，又未采取可靠措施时，应设置伸缩缝。当屋面无隔热或保温措施时，或位于气候干燥地区，夏季炎热且暴雨频繁地区的结构，应适当减少伸缩缝间距。当混凝土的收缩较大，或室内结构因施工外露时间较长，伸缩密缝间距也应减小。
二、分析高层建筑结构体系
1.框架结构体系
由纵、横向框架所组成，形成空间框架结构，既承受竖向荷载，又承受两个方向的水平荷载。与其他高层建筑结构体系相比，框架结构具有布置灵活、造型活泼等优点，容易满足建筑使用功能的要求，如会议厅、休息厅、餐厅和贸易厅等的布置。同时，经过合理设计，框架结构有好的的延性和抗震性能，但由于侧向刚度相对较小，在地震作用下容易产生较大的变形而导致非结构构件的破坏，因此其建设高度受到限制，一般在非地震区不宜超过60m，在地震区不宜超过50m。
2.剪力墙结构体系
由纵、横向剪力墙和楼板构成，剪力墙既承受两个方向的水平荷载，又承受全都的竖向荷载。剪力墙是一种有效的抗侧力构件，一般来说，剪力墙的宽度和高度与整个房屋的宽度和高度相同，宽达十几米或更大，高达几十米以上。而它的厚度则很薄，一般为160～300mm，较厚的可达500mm。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，剪力城墙肢常常按矩形截面、T形截面或工字形截面进行设计。在剪力墙中一般需要配置竖向钢筋来抵抗弯矩，配置水平钢筋来抵抗剪力的配筋形式基本上同框架梁。剪力墙结构往往适用于隔墙位置固定，平面布置比较规则的住宅、旅馆等建筑。
3.框架剪力墙结构体系
由框架和剪力墙共同作为承重结构的受力体系。它克服了框架结构抗侧力刚度小的缺点，弥补了剪力墙结构开间过小的缺点，既可使建筑平面灵活布置，又能对常见的30层以下的高层建筑提供足够的抗侧刚度。因而在实际工程中被广泛应用。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能建高度要大于框架体系。
4.简体结构体系
是指凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统，包括单筒体、简体一框架、筒中筒、成束筒等多种形式。典型的框筒结构体系，为了减小楼面结构的跨度，中间往往设置一些柱子，以承受竖向荷载，而水平荷载全部由框筒结构承担。简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。以筒体一框架结构为例。核心筒应具有良好的整体性，墙肢宜均匀、对称布置，简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；核心筒外墒的截面焊度不应小。于层高的1/20及200mm，对一、二级抗震设计的底部加强部位不宜小于层向的l/16及200mm，当厚度不能满足上述要求时，应通过稳定验算，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l60mm。
5.巨型框架结构体系
巨型框架结构是利用筒体作为柱子，在筒体与筒体之间每隔若干层(几层或十几层)设置巨型梁或桁架，形成具有很强侧向刚度的框架结构，其余楼层设置次框架。次框架可以落在巨型梁上或悬挂在巨型梁上，后者一般称为悬挂结构。次框架上的竖向荷载和水平荷载全部传递给巨型框架。
三、结束语
由此可见，建筑设计人员在设计过程中，首先要选择合适的结构体系，结构选型是一个复杂的决策问题，有大量的不确定性，这就要求结构选型研究要趋于建立集成的结构型式智能产生与创新、评价与决策的优化方法，为高层建筑选型提供工程科学依据,不断提升设计质量，以使结构设计工作做到更安全、更合理。
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