关于高层建筑框架结构设计的探讨-建筑设计论文

关于高层建筑框架结构设计的探讨

张健伟

摘要：随着社会经济的发展和科学技术的进步，高层建筑从建筑功能、体系、高度等方面都在不断地变化。高层建筑具有占地面积小，节省公用设施投资，改变城市面貌等优点，满足了城市因人口集中、用地紧张及商业竞争的需求。

关健词：高层建筑结构　 设计特点 结构体系

1 高层建筑的结构体系

1.1 框架－剪力墙体系。

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。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。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架－剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

1.2 剪力墙体系。

当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架－剪力墙体系。

1.3 筒体体系。

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、筒体－框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

2 高层建筑结构设计的几个关键因素

2.1 水平荷载成为决定因素。

一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，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，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2.2 轴向变形不容忽视。

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

2.3 侧移成为控制指标。

随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

2.4 结构延性是重要设计指标。

为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

3 高层框架结构设计的一些元素

3.1 如果结构是对称的或单元式的结构，要利用对称的或单元的画法来节省笔墨提高效率。

3.2 上下左右对称的尺寸标柱可以省略对称边的标注来节省笔墨提高篇幅的利用效率。

3.3 板的厚度结合建筑平面的开间和进深确定一个统一的厚度，局部不适处局部加厚或减薄。还需要注意的是管道井或通风井搁置在楼板上时的板局部受压需验算。板上隔墙下未设梁时板底须附加钢筋，并要提高板的配筋率。板的阳角须按构造规定设附加钢筋。挑板钢筋的锚固长度要满足，当伸入相邻板内时要注意伸入长度应大于等于1.5倍的悬挑长度。

3.4 梁及圈梁。梁的定位原则是：梁的高度在满足设计要求的情况下尽量做小，保正梁下有足够的净空，圈梁的设置要满足抗震规范的要求。需要注意的是当圈梁下的洞口较大或圈梁上的荷载较大时应注意验算圈梁是否满足要求。否则应另外加强。

3.5 柱及构造柱。必要时砌体结构里面是可以设置单独的受力柱的，此柱的截面和配筋应符合砼规范的要求。构造柱的设置要根据抗震规范的要求设置（不可漏设亦不要多设）需要注意的是内墙的阳角，局部小墙垛，较大的集中力处，局部受压不够需加强处，局部墙体的高厚比超过相应烈度的房屋的高宽比限值时墙体的两端，大洞口的两侧，大房间的内外墙交接处等等这些部位也要设置构造柱。需要注意的是当构造柱上的集中荷载较大时应注意验算构造柱能否满足要求，否则要予以加强。

3.6 挑梁。挑梁钢筋要比计算值适当的放大。挑梁伸入墙体的拖梁长度应满足构造要求，并要分析计算满足抗倾覆的要求。

3.7 过梁。过梁可以按标准图来选用，在设计图中应交待清楚选用的方法和标准图的具体图号。当门窗洞口较大或过梁上荷载较大或过梁范围内有集中力时应验算过梁是否满足要求，否则，应予以加强系。　　

4 结构计算的假定

4.1 弹性工作状态假定

此假定认为，结构在永久作用和可变作用下，从整体上看处于弹性工作状态，其内力与位移可按弹性方法计算。但对于框架梁及连梁等构件，可考虑局部塑性变形引起的内力重分布。

4.2 平面结构假定

　　为简化计算，对规则的框架、剪力墙及框架—剪力墙结构体系，可将结构沿两个正交主轴划分为若干个平面抗侧力结构(此抗侧力结构在自身平面外刚度很小，可以忽略)，每个主轴方向的水平荷载与地震作用由该方向的平面抗侧力结构承担，垂直于该方向的抗侧力结构不参加工作。

4.3 刚性楼面假定

各平面抗侧力结构之间通过楼板互相联系并协同工作。一般情况下，可认为楼板在自身平面内为绝对刚性，不产生挠曲变形，在自身平面外刚度很小，可不予考虑。按此假定，在不考虑扭转时，同一楼面标高处结构侧移相同；考虑扭转时，同一楼面标高处结构侧移呈线性分布。

5 结束语

　 随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的设计特点、体系、力学分析模型都将日趋复杂多元，为了创新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构体系和更加合理的力学模型将是建筑结构设计师的目标和方向。

参考文献

[1]《高层建筑结构设计规范》

[2]《建筑结构荷载规范》

[3]《现代高层建筑结构设计》

[4]《结构优化设计在工程实践中的应用》