高层建筑的结构设计
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高层建筑的结构设计范文第1篇
中图分类号：TU3 文献标识码： A
一． 前言
现代城市城市建设中，高层建筑已经逐步向造型新颖、构造复杂、功能多样的方向发展，建筑功能也沿着房屋的高度方向发生了变化，很多商住两用建筑，在布局上设置为旅馆、住宅两用功能，楼层中间还可以做为办公用房，下部布置成商店、餐馆或文化娱乐设施，这样不同用途的楼层就需要采取不同形式的结构，从建筑功能上来看，上部结构就需要小开间的轴线布置，用较多的墙体来满足旅馆与住宅的功能要求，中部室内空间却需要中等大小，这样为了满足功能需求，在柱网中布置一定数量的墙体，下部的室内空间大而灵活，柱网要求大，墙体少，满足公用设施类的特殊功能要求，这些要求跟结构的合理布置正好相反。这种竖向构件的不连续性与转换层结构体系的转变，容易使转换层附近的刚度与内力发生突变，本文对此种复杂高层的抗震设计的相关问题进行简单阐述：
二． 转换层的定义和功能
由于在高层建筑结构中，楼层受力下大上小，应该采取与此相适应的刚度要求，而逐渐减少上部墙体等的布置，辅以扩大柱网，这样一来，建筑功能空间要求跟结构布置就正好相反，因此，为了适应建筑功能的变化，我们通常在设计中，在结构转换的楼层设置一种水平转换构件，即转换层结构。高层商住楼中常用的一种结构体系是带转换层结构的多塔楼高层建筑，通过水平转换结构跟下部竖向杆件相连接，这样的高层建筑结构构成就称为带转换层的高层建筑结构，它主要实现以下功能：
1这种设计可以获得较大的内部自由空间，上下层结构类型转换层将上部的剪力墙转换为下部的框架，一般用于剪力墙和框架-剪力墙结构中。
2通过将建筑物的转换层改变成为框支剪力墙结构的同时，在下部的柱网与上部的剪力墙轴线错开，形成了一种在建筑物结构中上下柱网不对齐的布置。
3）通过建筑物的上下层结构柱网和轴线改变类达到转换层上下的结构形式，这样的转换层可以使下部的结构柱距扩大，进而形成大的柱网。这种形式常用于一般外框筒的下层形成较大的出入口。
三. 结构转换层类型分类
在高层建筑中的转换层设计分为以下几种类型：
（1）梁式转换层，即建筑物的上部剪力墙设计在框支梁上，再由结构的框支柱支撑框支梁的受力体系，在需要纵横向同时转换的设计施工时，常常采用双向梁布置，它的优点是传力直接、明确，结构中传力的途径清楚，受力性能好，而且整体的构造简单，施工方便，在设计时计算比较容易，是目前施工中应用实施最广泛的转换层结构形式。
（2）箱式转换层，当建筑物的转换梁截面过大时，一般情况设置一层楼板并不能够满足构造中平面内楼板的刚度要求无限大的假定条件。因此为了使理论假定和实际相符，设计中可以在建筑物中转换梁梁顶跟梁底同时设置一层楼板，以此形成一个箱形梁，即称为箱式转换层。其优点在于，转换梁的约束性比较强，刚度较大，整体构造的受力效果比较好，受外力时上下部传力比较均匀，还可以将其利用作为设备层实用，其缺点是施工过程复杂、造价比较高。
此外，建筑物转换层的形式还有厚板式转换层构造和桁架式转换层构造等，但大部分因为此构造方式受力复杂而且施工难度较大、并且经济效益不高所以实际应用相对少。
四．新型转换层结构特点
1 搭接柱式转换结构
搭接柱式转换结构是最近出现的一种新型的转换结构体系。这种转换结构在重力载荷作用下建筑物的安全度与可靠度，主要是取决于跟搭接块相连的楼盖梁板承载外力能力与轴向刚度的有效控制，如果楼盖梁板的承载能力与轴向刚度能得到控制和满足，重力载荷作用下的次内力与搭接柱变形就能够受到控制，建筑物整个搭接柱式转换结构就能够正常工作，与之相连楼盖梁板承载外力能力和轴向刚度的控制，通常是在结构重力载荷作用下能够正常工作的一项关键技术。
2 贯通落地筒体-框架结构工作特性
搭接柱转换构造基本能够保证对框架柱直接落地的整体结构的振动特性和在地震作用下的工作状态与贯通落地筒体-框架结构无异。建筑物的框架搭接柱转换本质上是弱化了结构框架的抗侧作用，进一步的强化了建筑物核心筒体的抗侧作用，所以核心筒体结构是整体结构最主要的抗侧力构件，能够很好地保证整体机构抗震承载能力不致突变。
3. 其他新型转换结构
（1）宽扁梁转换结构的优越性
宽扁梁转换层结构有利于降低建筑物转换层高度并方便建筑设备的使用，跟建筑功能的结合比较普通；转换梁结构相比有着非常好的优势，它还有利于减缓建筑施工中高位转换的刚度突变带来的建筑物转换层框支剪力、框支柱顶弯矩的突变增大及结构轴力突变而增大引起的应力集中，改善建筑物结构的抗震性能。
（2）斜撑转换结构的优越性
这种结构重力载荷下的传力路径明确，它以构件受压受拉的方式代替构件受剪承受重力载荷，使建筑物受力方式非常合理，斜撑转换结构的建筑物转换层与上下层的刚度比的变化幅度也相对很小，因此在水平地震力作用下，它能够很好的避免结构层间剪力与构造构件内力发生突变，有利于整体结构抗震。
五．带转换层的高层建筑结构设计原则
高层建筑中转换层的设计必须注意建筑物竖向刚度的突变，避免在地震作用时在结构转换层上下形成薄弱环节，降低建筑物结构抗震性能，因此在转换层结构设计中要遵循以下原则：
1 刚度比的设计，为了保证建筑物结构的竖向刚度不至于太大，有利结构的整体受力，防止设计时的结构沿竖向刚度的变化过于悬殊而形成受力薄弱层，结构的上下刚度比要≤2，尽量的接近1。
2. 减少需要转换的竖向构件，提高抗震性能。
3. 转换层结构竖向位置宜低不宜高，避免在转换层附近的刚度、内力与传力途径等发生突变时形成受力薄弱层，对抗震非常不利。
4. 设计中要合理分配转换层及其下部的构件中的内力，结构内梁高度一般情况应不小于梁的跨度的1/6,以保证转换层的刚度，满足转换梁和剪力墙柱在受外力时的受力性能要求。
5. 控制建筑物框支剪力墙和落地剪力墙两者的比例，在设计剪力墙需考虑抗震时，结构内横向的落地剪力墙的数目与横向墙的总数之比不能少于50%，在非抗震设计时不能少于30%。
6. 强化建筑物下部转换层的结构刚度，并弱化构造转换层主体上部的结构刚度，保证建筑物下部空间的整体结构能够有足够的刚度、延性、强度与足够的抗震能力，使刚度的均匀分布，保证构造的刚度中心和质量中心尽可能的重合，避免由于设计不合理两者偏心导致建筑物整体扭转。
7. 带转换层结构的设计计算要求全面、准确，采用有限元方法对结构构造进行局部的补充计算。
结论
带转换层结构的高层建筑受力非常复杂，随着结构的复杂化，在设计中应充分考虑传力体系的变化，按照规范要求，结合现场实际条件进行全面分析和优化设计，把建筑物的诸多因素考虑进去，在严格控制建筑物楼层等效刚度比以及楼层侧向刚度比的前提下，设计合理有效的结构构造措施，是有效解决复杂平面及建筑物体型转换的一种行之有效的方法。
参考文献：
[1]JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S]
高层建筑的结构设计范文第2篇
关键词：高层建筑；结构设计；结构体系。
一、高层建筑结构设计特点
1、水平荷载度是结构设计的关键因素
高层建筑的楼面使用荷载以及自身的重量在竖向的构件中引起的弯矩和轴力的数值，是与高层建筑物本身的高度成正比的。但是高层建筑物的水平荷载对高层建筑的结构所产生的倾覆力矩，和由于此在竖向的构建中所引起的轴力，和高层建筑物的高度二次方是成正比的关系。另外，对于一定高度的建筑物来说，竖向的荷载基本是一个固定的数值，但是其水平荷载的地震和风荷载的作用，数值却是随着结构动力特性的不同而会产生一定幅度的变化。
2、轴向的变形情况不能忽略
在高层建筑的过程中，竖向荷载的数值通常都是很大的，并且能够在柱中引起较大程度的轴向变形，从而就会影响连续梁弯矩，就会产生连续梁中间支座位置的负弯矩值减小的后果，同时又会使得端支座的负弯矩值和跨中正弯矩值增加，同时还会对预制构建的下料长度产生一定的影响，折旧要求要根据轴向的变形计算值，对应该下料的长度做出相应的调整。另外，还会影响构建的侧移和剪力，而与构件的竖向变形相比较考虑，就会得出较为不安全的结果。
3、结构侧移成为关键因素
与多层建筑相比，高层建筑的结构侧移已经成为了主要的控制指标，是结构设计中的关键性的因素。随着楼房层数、高度的逐渐增加，水平的荷载结构的侧移变形就会得到迅速的增大，因此，在水平荷载的作用下，结构侧移应该被控制在一定的限度范围之内。
4、结构延性是高层建筑的重要设计指标
与较低楼房的建筑相比，高层建筑的结构设计则更柔一些，如果在地震中，其变形需要更大一些。因此为了能够使结构在进入塑性变形阶段后还能够保持具有强劲的变形能力，避免高层检出出现倒塌的情况，就需要在构造上采取特别的且适当的措施，以保证高层建筑的结构能够具有足够的延性。
二、高层建筑结构体系
高层建筑结构从出现发展到现在，随着不同结构形式的出现，建筑形式相继呈现出不同的表现状态。从结构的角度来看待高层建筑的话，杆状是高层建筑结构形式的基本特点，相比起竖向荷载，水平荷载成为了高层建筑结构的控制因素，高层建筑结构的底部在水平荷载的压力下，其弯矩和剪力都表现为最大，这就要求高层建筑结构要有很强的抗侧移和抗倾覆能力，设计的基本概念也就因此而成为对建筑形体、刚度、延性还有结构体系的合理正确的要求。高层建筑选择结构体系的决定因素通常是建筑物自身的高度和空间，不同的结构体系因为刚度、强度、结构样式都不尽相同，在进行设计时所适合的高度和空间也会不同。
高层建筑结构的基本构件包括板、梁、柱、框架、衍架、网架、拱、壳体、墙，还有索，板的高度大于厚度，承受的是垂直于板面的荷载，梁是截面小于跨度的结构构件，柱是线性构件，框架既能承受竖向荷载，同时也能承受水平荷载，衍架是具有三角形区格的平面或者是空间的承重结构构件，网架是通过节点按照一定的网格形式连接多根杆件而形成的空间结构，拱式平面结构构件，壳体是曲面形的构件，墙是竖向构件，承受的是平行于墙面方向的荷载，索是以柔性受拉钢索形成的构件。
高层建筑结构体系有钢结构、钢筋混凝土结构和一种混合结构，钢结构包括框架结构体系，也就是钢性连接的柱梁体系，但是这种结构体系的有效性只限于中层建筑结构，框架剪力衍架结构体系，既有框架，又有剪力衍架的一种结构体系，框筒和成束筒，框筒是一种筒体结构，在很大程度上增加了建筑物的抗颠覆能力，成束筒是将单独的筒体捆绑在一起，这种结构体系不仅减小了筒体的剪力滞后效应，还大大加强了结构的侧向荷载能力，对角支撑筒体就是在外框筒结构上增加交叉斜支撑形成的结构体系，这种结构体系有效性很强，可以增加窗洞面积，由三位空间衍架组成的结构体系叫空间衍架结构体系，内部对角支撑衍架实际上也是一种空间衍架结构。
钢筋混凝土结构包括框架结构体系、剪力墙结构体系、框架―剪力墙结构体系、框筒、筒中筒、成束筒结构体系、内填支撑筒、巨型柱―核心墙这几种结构体系，而混合结构，也称组合结构，是钢材和钢筋混凝土组合而形成的混合结构体系，到现在为止，已经有三种结构体系得到了很好的发展，第一种是在一个钢结构高层建筑中涉及核心筒，第二种是将型和混凝土的组合构件运用到外筒体的密柱深梁中，第三种是混合竖向体系，就是建筑物的上部采用钢结构，中下部采用钢筋混凝土结构。
三、高层建筑结构设计中应注意的问题
1、要倡导节约
我国当前还属于是一个发展中的国家，而倡导节约也一直是建筑设计中不变的基本理念。而目前我国规范中对于高层建筑的构造要求也与国外相差无几，而我国的很多高层建筑的结构设计虽然已经符合了国际市场的标准，但是也并不是代表我国的高层建筑结构的安全度就值得信赖了，同时还应该对其进行规范。但是在高层建筑结构设计达标的基础上，还要做到节约，尽可能的降低消耗，降低建筑成本。根据客观形势的变化要求，我国可以将高层建筑的结构设计的可靠度的水平适当的进行提高，这样在原有的基础上，并不会造成较大的或者是更多的投入，但是却适宜我国长远和总体性的发展。
2、注重建筑物的受力性能
对于一个高层建筑的最初的设计方案而言，建筑师更多的则是考虑建筑的空间组成的特点，并不是能够具体或是详细的明确建筑的结构。而高层建筑的地面对其空间形式的水平方向稳定和竖向稳定都是十分重要的。而由于建筑物主要是由一些重且大的构件所组成的，因此建筑物的结构就必须要能够将其自身的重量传达至地面，建筑结构的荷载则总是向下作用于地面，然而建筑物的设计的一个最为基本的要求就是要搞清楚，建筑物所选择的体系中向下的作用力和地基面的承载力之间的相互关系，因此在建筑的设计方案进行的阶段，就一定要对主要的承重墙和承重柱的分布和数量进行总体的设想和设计。
3、提倡使用概念的设计
所谓的概念设计则主要是指不经过数值的计算，尤其是在一些很难做出精确性的分析，或者是在规范的过程中很难规定的问题，就要依据建筑物整体的结构体系和分体系之间的工程经验、试验现象、震害、结构破坏机理和力学关系所获得的基本的设计思想和设计原则。从整体的角度对建筑结构的抗震细部措施和总体布置进行空管的控制。而对于概念性近似估算方法的引用，可以在简述方案的设计过程中进行迅速且有效的对结构的体系进行比较、构思，并做出最终的选择，相比较于手算而言则更加容易。所得到方案也往往是定性正确且概念清晰的，这也能够避免在建筑结构的设计阶段的后期出新一些不必要的繁琐、复杂的运算，往往具有较好的、叫可靠的经济性。同时，概念的设计也是对计算机内力分析所输出数据的可靠性进行判断的主要依据。经过近十几年来我国高层建筑建设的迅速发展，高层建筑的建造数量和建造速度在世界的建筑史上都是很少有的。但是从我国高层建筑的设计质量方面来看，却并不容乐观，大多数的结构设计主要是为了追赶时尚、追赶潮流，因此在高层建筑的实际设计中，还应该要做出更为长远的规划。
四、小结
经过近几年的发展，我国的高层建筑业得到了快速的发展，但是在发展的过程中，我们还是应该遵循高层建筑的设计原则和设计理念，选择最有效的高层建筑结构体系，建设好我国的高层建筑，令其更加符合甚至是超越国际市场上的标准，为我国的高层建筑业谋得更长远的发展。
参考文献：
[1] 任旭，《高层建筑连体结构设计探讨》，《工业建筑》，2006（36）
[2] 赵华，《高层建筑结构选型的复杂性研究》，《山西建筑》，2008（34）
高层建筑的结构设计范文第3篇
关键词：高层建筑结构设计要点分析
Abstract: With the progress and development of science and technology, high-rise building has become the symbol of urban development. To ensure the security of the people’s lives and property, higher requirements are requested to engineers. This paper analyzes the characteristics of high-rise building, and then expounds the measures of structure design and details design based on the characteristics of structure design of high-rise building.
Key words: high-rise building; structure design; analysis on key points
中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
前言
随着社会经济的发展，高层建筑已经逐渐进入到了人民的生活当中，并在全国各地大量兴建了许多的高层建筑特别是高层的商住楼的数量，从其建筑结构上看大多采用钢筋混凝土的框架剪力墙结构，现在提倡的是“节约型”社会，建筑节能已成为全社会的共识，因此。在设计上优化建筑结构，降低建筑的成本受到业界的关注和重视。但如何实现优化高层建筑的结构设计．成为广大设计师不断研究探讨的课题。
1.高层建筑的受力性能分析
针对一个建筑物的最初的方案设计，建筑师要考虑更多的是它的空间组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系，所以，在建筑设计的方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。
一般而言，低层、多层和高层建筑，竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的，但是，随着高度的不断增加，竖向结构体系成为设计的控制因素，其原因有两个：①较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒；②侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。与竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的，而随建筑高度的增高迅速增大。高层建筑结构的受力特点与简单的竖向悬臂构件的受力特点是相似的。在所有条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比，而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比，地震的作用效应更加明显。在高层建筑中，问题不仅仅是抗剪，而更重要的是整体抗弯和抵抗变形，可见，高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异。
2. 高层建筑结构设计中的扭转问题
建筑三心分别为建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心，在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点，即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏，应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局，尽可能地使建筑物做到三心合一。
在水平荷载作用下，高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布为使楼层水平力作用沿平面分布均匀，减轻结构的扭转振动，应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单规则平面形式。在某些情况下，由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制，高层建筑不可能全部采用简单规则平面形式，当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时，应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内，同时，在结构平面布置时，应尽可能使结构处于对称状态。因为非对称的几何平面建筑，往往会引起质量中心和刚度中心的偏心，导致扭转振动及各部分联接处应力集中，平面长度过长的建筑可能出现两端振动不一致使建筑物破坏。
3. 关于高层建筑结构设计中的侧移和振动周期
一般建筑结构的振动周期问题包含两方面：
(1)合理控制结构的自振周期；
(2)控制结构的自振周期使其尽可能与场地的特征周期错开。
3.1 高层建筑结构的自振周期
对于比较正常的工程设计，其不考虑折减的计算自振周期()大概在下列范围内：
框架结构：=(O.08～0.15)N
框架一剪力墙结构和框架一筒体结构：=(0.08～0.12)N
剪力墙结构和筒中结构：=(O.04～0.05)N
N为结构层数。
结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内：第二周期：=(1/5～1/3)；第三周期：=(1/7～l/5)。而对于比较均匀的结构，振型曲线应是比较连续光滑的曲线，不应有大进大出，大的凹凸曲折。在计算时如果计算结果偏离上述数值太远，应考虑工程刚度是否太大或者太小，必要时调整结构截面尺寸，检查剪力墙数量是否合理，应适当做出相应的调整。
3.2 高层建筑的共振问题
遇到建筑场地发生地震时，如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近，建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期，通过调整结构的层数，选择合适的结构类别和结构体系，扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别，避免共振的发生。
3.3 水平位移特征
一般情况下，当水平位移满足《高层规程》的要求，并不能说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑周期及地震力大小等综合因素。因为结构抗震设计时，地震力的大小与结构刚度直接相关，当结构刚度小，结构并不合理时，由于地震力也小，所以结构位移也小，位移在规范允许范围内，此时并不能认为该结构合理，因为结构周期长、地震力太小，并不安全；其次，位移曲线应连续变化，除沿竖向发生刚度突变外，不应有明显的拐点或折点。一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型；框架结构的位移曲线应为剪切型；框一剪结构和框一筒结构的位移曲线应为弯剪型。同时我们将个层位移连成侧移曲线，具备以下特征：
(1)剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁的特征，位移越往上增大越快，成外弯形曲线。
(2)框架结构具有剪切梁的特点，越向上增长越慢，成内收形曲线。框架一剪力墙结构和框架一简体结构处于两者之间，为反S形曲线，接近于一直线。
(3)在刚度较均匀情况下，位移曲线应连续光滑，无突然凹凸变化和折点。
4. 高层建筑的结构的优化设计
高层建筑的结构设计中的形状优化比尺寸优化更有意义。在高层建筑的一个独立结构单元内．宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀，平面长度不宜过长，突出部分长度也应不宜过大。
高层建筑的坚向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，结构的侧向刚度宜下大
上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。相信大部分的结构工程师都曾
遇过类似情况．当一幢高层建筑的结构平面布置和竖向布置简单、规则、均匀，那么其各项
指标的校核验算会很容易满足规范的要求，反之，则需花一番苦功才能令各项指标勉强满足
规范要求。结果可能是墙柱截面尺寸大得惊人，单位面积重量严重超标，不仅造价上去了，而且还影响部分建筑功能的使用。
合理使用高强砼和高强钢筋建筑的总造价包括上部结构的材料、基础及施工等费用，构件的截面尺寸和用钢量对造价的影响很大，设计中合理使用高强钢筋(如梁、板筋采用三级钢)可有效降低用钢量，节约成本。如果高层建筑位于深厚软弱地基上，由于作用于地基上的荷载很大，合理使用高强砼和高强钢筋优化构件截面尺寸，减轻结构自重，将会降低基础施工的难度和造价，取得显著的经济效果。同时，对于地震区的高楼，地震作用的大小几乎与建筑自重成正比，减轻自重能够减小结构的地震荷载，有利于提高结构的安全度。
5.结束语
总之，高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何在设计这过程中出现的遗漏或错误都有可能对设计的结果产生重大的事故。所以我们在设计的过程中要时刻把握设计的过程。在结构设计时实现安全、科学合理、经济的设计目标。
参考文献
[1]张宇鑫，刘海成，张星源。PKPM结构设计及应用。上海，同济大学出版社。2006
高层建筑的结构设计范文第4篇
关键词:混凝土；高层建筑；结构设计
1.提高结构重要部位的延性,防止截面钢筋超配
1).要使高层建筑在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力,最理想的办法是使结构中所有的构件都具有很高的延性。然而在实际工程中很难完全做到这一点,比较经济的办法是有选择有重点的提高结构中重要构件或某些构件中关键部位的延性。在结构平面位置上,应该着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处构件的延性;对偏心结构,应加大房屋周边特别是刚度较弱一侧构件的延性;对具有多道抗震防线抗侧力构件,应着重提高第一道抗震防线构件的延性。
2).使结构能进入弹塑性状态,并能通过结构的塑性变形吸收地震能量、抗御更高烈度的地震,从而达到“中震可修、大震不倒”的设防目标,就必须做到“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”,才能使结构在进入弹塑性状态后形成合理的延性较大的屈服机制。因此在设计工作中,必须注意构件截面纵向钢筋的超配现象,同时也要注意材料的超强问题。
2注意高大建筑的整体稳定性
对高层建筑来说,在抗震设计中,房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。近年来出现了许多板式高层住宅,其立面高度很大而房屋进深尺寸有限,即高宽比超过了规范限值，也就是说建筑愈瘦高,在地震作用下的侧移就愈大,地震引起的倾覆作用就愈严重,巨大的倾覆力矩在柱中和基础中引起的拉力和压力比较难处理。结合几年来的工程实践,有以下几点体会:
1).对整个建筑进行抗倾覆稳定性验算,使地震作用下的倾覆力矩与相应的重力荷载在基础与地基交界面上的合力作用点,不应超出力矩作用方向抗倾覆构件基础边长的1/4。
2).加大建筑物下部几层的宽度,使其满足规范高宽比的限值,但尽可能避免形成大底盘建筑。必要时通过设置类似扶壁的钢筋混凝土构件,来增加基础底板的悬挑宽度,达到扩大基础底面积的效果,从而保证上部结构的稳定。
3).使基础有足够的埋置深度。在部分设计图纸上,发现裙楼和高层主楼从地上到地下用变形缝彻底分开,导致主楼基础埋深不够或者根本没有埋深,地震时会使建筑物发生滑移、整体倾斜甚至倾覆，这个问题必须引起注意。
4).对于高宽比很大的高层建筑,建议尽可能采用深基础,即采用配有钢筋的桩基础,桩基础钢筋在承台内的锚固长度要足够大。因为桩是埋在土中的细长构件,由于桩土摩擦力的存在,桩的抗拔性能较好,从而能很好地抵抗上部结构的倾覆。
3.剪力墙设计中需要注意的几个问题
3.1钢筋混凝土抗震墙的延性和破坏形态与墙体的高宽比和超静定次数密切相关。
1)为了提高抗震墙的变形能力,避免发生剪切破坏,对于一道截面较长的抗震墙,应该利用洞口设置弱连梁,使墙体分为小开口墙、多肢墙或单肢墙,并使每个墙段的高宽比不小于2。所谓弱连梁,是指在地震作用下各层连梁的总约束弯矩不大于该墙段总地震弯矩的20%;连梁不能太强,以免水平地震作用下某个墙肢出现全截面受拉,这是比较危险的。
2)在实际设计中,对连梁的刚度都要进行折减,这是因为剪力墙的刚度一般都很大,在水平力作用下,剪力墙中的连梁会因为很大的内力而超过截面允许值,可靠的办法是让这些连梁先屈服,要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏,连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求,对连梁的刚度进行折减实际上就是降低其抗弯能力。
3.2规范规定,剪力墙在端部应设置暗柱、端柱等边缘构件。
这些边缘构件的作用相当于砖混结构的约束柱,当结构的刚度较小,地震作用下层间位移和顶点位移较大时,边缘构件所起的作用也就越大,此时暗柱的截面和配筋就应加大。如果剪力墙的总截面面积与楼层面积之比值较大时,且房屋高度较小、楼座面积较大时,墙端部的暗柱面积和配筋量就不需按规范要求设置那么多。1985年智利大地震时,有300多栋钢筋混凝土剪力墙结构的破坏较轻,但它们的墙端并无较好的约束，这就是最好的证明。
3.3在钢筋混凝土全墙结构中,采用大开间剪力墙结构好,还是采用小开间剪力墙结构好,这一直是一个争论的焦点问题。大开间剪力墙结构的优点较多:
1)墙体数量少,相应的混凝土用量少,墙体的约束构件少,结构自重轻;
2)相对小开间剪力墙结构,其抗推刚度小,自振周期长,水平地震作用小;
3)墙体的配筋率适当,结构的延性增加,地震时能充分发挥墙体约束构件的作用;
4)使用空间大,建筑布置灵活。缺点是:1)楼板跨度大,钢筋用量大;2)要求设置高效轻质的隔墙,造价高。
4.屋面高大女儿墙的设计方法
对于高层建筑,为了照顾立面效果,屋顶女儿墙往往做的很高,其荷载效应对主体结构的影响越来越明显,这一点常常被设计者所忽略。在设计上,女儿墙无法直接参与主体结构的分析,所以在计算时往往仅考虑女儿墙的自重,当女儿墙较低时,这种方法是符合精度要求的,不会影响结构的安全;但是,随着女儿墙高度的增加,其地震荷载和风荷载效应也在增加,对主体结构的影响越来越大。因此,当女儿墙较高时,要仔细计算女儿墙所受水平荷载的情况。
5.地下室外墙的设计方法
在一般情况下,地下室外墙所承受的主要荷载为结构自重、地面活载、侧向土压力等。在我国已建成的高层建筑中,地下室外墙的墙厚和配筋相差很大,墙厚在200mm～700mm之间,配筋在565mm2～4909mm2之间,可见在结构可靠与经济之间选择一个合理的平衡,始终是一个值得探讨的课题。地下室外墙的受力状况与上部结构类型及平面布置有很大关系。在实际情况中,考虑到边界条件不十分明确,为安全起见,可对同一边界采用两种不同的假设,如按端部固定计算墙端弯矩,按端部铰接计算墙跨中弯矩。
6.超长结构的温度变形和混凝土干缩变形
钢筋混凝土结构规范规定,在室内条件下现浇框架结构伸缩缝的最大间距为55m,现浇剪力墙结构伸缩缝的最大间距为45m;在露天条件下,结构伸缩缝的间距还要小,这样规定的目的就是解决两个方面的问题:
1)现浇混凝土在凝固硬化时会产生收缩应力,以致在结构中形成干缩裂缝,结构越长,干缩的影响越大。
2)结构在使用期间必然要经过春夏秋冬季节的变化,大气温度的变化会使结构产生热胀冷缩,从而在结构中造成温度裂缝,同样,结构越长,温度的影响越大。但是,在实际工程中超长建筑物常常出现。如果按规定去设伸缩缝,就会出现双墙、双柱、双梁,给建筑物的立面处理、防水构造带来很大的困难。
高层建筑的结构设计范文第5篇
关键词：梁式转换层；结构布置；设计要点
中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：
引言
现代建筑趋于高层化和体型复杂化发展，在结构设计中多功能和多造型的要求越来越多，为了满足发展的需要和建筑功能的变化多样，转换层结构在高层建筑中的应用越来越多。相较于其他类型的转换层，梁式转换层具有设计施工简单、经济合理和转换构件明确的优点。本文就其设计中应注意的设计要求进行了概括，分析了转换层构建中楼板及框支梁等的设计特点，对整体的结构布置进行了探讨总结。
2.高层建筑梁式转换层设计原则与计算要求
2.1梁式转换层设计原则
转换层是地震发生时高层建筑中的薄弱环节，转换层的存在使建筑物竖向的整体刚度突变，不利于结构抗震，在建造中要遵循一定的设计原则：
1)在设计中尽量降低需结构转换的竖向构件的使用率，尽可能应用直接落地的竖向构件，当整体建筑中转换构件越少时，形成的刚度突变就越小。转换层相对较少的结构是对抗震有利的结构。[1]转换层本身也应具有足够的刚度设计，一般情况下梁高不小于跨度的1/6的设计是保证转换层以及其下部连接构件内力合理分配的基础，剪力墙柱、转换梁等构件的受力性能良好才能更稳定的完成结构转换。
2)设计中尽量对称布置转换层以上的柱子和剪力墙，在转换梁发生变形时，梁上立柱的柱脚会有较大的转角，极易引起柱的弯曲和剪切，并且使立柱产生极大的内力发生超筋，故梁上立柱应尽可能设在转换梁跨中。[2]考虑到抗震性能，对剪力墙的比例也必须进行一定的控制，一般横向落地剪力墙的数目占比横向墙总数宜大于1/2。
3）考虑建筑整体刚度，转换层在高层建筑的竖向位置尽可能设计在较低的范围，较高位置的转换层易使框支剪力墙结构在转换层附近的内力、刚度及传力途径发生突变，形成薄弱环节。当设计中必须出现高位转换时应综合考虑转换层下部框支结构的刚度，控制弯曲、轴向变形及剪切的综合效应，尽量降低内力突变的情况。总之要尽量强化转换层下部空间的强度和刚度，一般通过加大竖向构件主题结构的横截面积、增设剪力墙以及提高混凝土强度的方法来实现，在设计调整构件刚度时同时也要注意均衡协调分布整体刚度。[3]
4）带转换层结构设计的计算要求准确全面，其作为整体结构中的重要部分应采用符合实际受力变形状态的计算模型进行立体的结构分析计算，并附加多模型程序进行抗震计算及高位转换等相关计算。[4]
2.2梁式转换层受力机理与设计计算
梁式转换层只是高层建筑结构中的一个组成部分，在进行其内力分析之前要对整体的结构进行计算分析，再根据转换层竖向刚度不均及结构变化明显等特点利用三维分析及平面有限元等结构软件进行计算。在计算时应注意转换结构是否进入局部计算模型，计算模型要符合实际情况，以梁柱为空间分析基本单元，剪力墙要作为柱单元来进行分析。转换层楼板本身承受着极大的平面内剪力，要将上层构件的水平剪力传递到下层抗剪力结构上，是承托竖向荷载的重要构件，在整个设计计算中至关重要。[5]梁式转换层结构以梁柱和剪力墙作为传力途径直接进行传力的特点对分析计算有极大的优势。
3.梁式转换层的结构布置要点
3.1结构竖向布置
高层建筑对于其结构布置要求侧向刚度下部大于上部，避免刚度突变，而转换层结构的出现使整体结构有悖于其要求的结构布置，建筑工程中存在高位转换的问题。因此在设有梁式转换层的高层建筑设计中，结构中尽量应用剪力墙落地，强化下部的结构刚度，或直接在底部增设剪力墙结构，可有效提高底部刚度。[6]除增加剪力墙数量外还可调整增加其厚度，使转换层下部剪力墙厚度大于上部厚度。结构中，底部的剪力墙不宜设有洞口，以免削弱刚度。再适当在转换层上部一些较长的剪力墙中部设置结构洞，这不仅调整了整体结构刚度，还可减轻建筑物负重及梁柱负载承受的力，利于抗震设计的要求。[7]
3.2构造布置与措施
应协调转换层上下部分结构布置，使转换结构的数量尽量减缩且处于建筑中的较低位置，转换构架尽量靠近支座便于内力的竖向传递。设计要保证框支层上剪力墙洞口上部的连梁形成强剪弱弯，梁内配置交叉斜筋且配筋充分，对于有二次转换梁的转换层，转换主梁在剪跨比较小的区段易出现剪切破坏，荷载经多次传递二次转换梁引起应力相对复杂，次梁正交部位截面应变分布复杂，主梁容易在水平作用力下大角度扭动，梁端形成裂缝，故结构设计布置中应尽量避免二次转换。薄弱部位楼板的平面内变形对结构受力的影响要考虑到结构整体分析中，为使刚心与结构质心尽量重合，要通过调整剪彩力墙的布置方式来避免扭转情况的发生。
4.梁式转换层结构的构件设计
4.1转换层楼板的设计
转换层因为要将处于其结构上部的水平剪力传递到其下部结构，在转换平面内受力较大，楼板易出现变形等情况。在设计中要尽量加厚楼板的厚度，建议采用现浇板且厚度在1.8m以上，这样能加强转换大梁的抗扭能力和侧向的刚度，也利于转换层在其平面内对剪力进行重新分配。混凝土的强度要使用C30以上强度等级的，可采用双向钢筋固定，每排钢筋的配筋率尽量在0.25%以上，另外在混凝土中加适量的钢纤维则可极大程度的提高混凝土的抗剪性能，防止混凝土断裂。转换层的楼板若非必要不宜开设结构洞，若开设洞口则要在其周围以暗梁或次梁加固，且洞口位置应远离转换层外缘以尽量保持其刚度。[8]
4.2转换层框支柱与框支梁设计
框支柱的轴压比设计关系到结构能否具有足够的延伸性，这关系到结构的抗倒塌能力。在抗震设计中，框支柱轴压比在一级抗震时的应控制在0.7以下，二级抗震应控制在0.75以下而三级抗震时控制在0.8以下。若框支柱的轴压比仅控制在0.85以下则建筑结构不具有抗震性能。另外框支柱可设计部分纵筋伸入框支梁以上的墙体，可加强上下结构的连接可靠性。[9]框支梁不仅是保证框支剪力墙抗震性能的关键结构，还是转换层上下结构负载的传力枢纽，受力情况较为复杂，且受力较大，设计时尽量设置较多的冗余储备，否则在竖向剪力的作用中梁柱会遭到破坏。要加强框支梁构造，钢筋伸入支座后应设牢固的锚固，对于开设结构洞的部位要加强配筋。
5.总结
在高层建筑的整体设计中，带有梁式转换层的是整体结构设计中的难点和重点。转换层由于受力复杂，在设计中要较为严格的控制刚度等因素，以便在震害中保持抗震性能。梁式转换层也可根据转换形式分为多种情况，如是否加腋或不同混凝土类型的转换层。实际的工程应用和建设中要不断的对方案进行研究比较，采用有限元分析程序对各方案结构形式转换梁进行受力等分析和科学的计算，尽可能在经济适用的情况下完成安全可靠的工程。
参考文献：
[1]邢红勇.高层建筑梁式转换层中连续短梁的设计建议[M].江苏建筑,2001(1).
[2]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[3]罗立波.高层建筑钢筋混凝土梁式转换层施工技术的研究[M].建筑科学，2004.
[4]雷静.带主次梁转换层框支剪力墙结构计算分析[M].中国建筑研究，2006：7-12
[5]李永贵.高层建筑钢筋混凝土梁式转换层施工技术研究[J].建筑研究科技，2006
[6]黄瑛.带转换层高层结构综合楼设计[J].铁道标准设计,2005：67-70.
[7]孔杰华.多道抗震防线在建筑抗震设计中的研究[J].铁道标准设计,2005(8).
