高层建筑结构分析

　　摘要：高层建筑结构体系合理与否关系到整幢楼的稳定性，选择合理的结构体系，提高经济效益及社会效益。本文根据高层建筑结构的特点，对高层建筑设计与高层建筑结构进行了分析。
　　关键词：高层建筑，结构，设计
　　高层结构要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。将结构的侧移控制在一定的范围之内(太大的位移让人感到很不舒服)，于是抗侧力结构设计成为关键。
　　一、高层建筑结构设计
　　在高层建筑的设计中，通常采用钢和钢筋混凝土两种材料。钢筋混凝土结构造价低，材料来源丰富，可浇注成各种复杂断面形状，可组成多种结构体系，可节省钢材，承载能力也不低(特别是近年来高强混凝土和超高强混凝土的研制应用，大大提高了混凝土承载力)，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。因此在发展中国家包括我国，大都采用钢筋混凝土建高层建筑。但它主要缺点是构件断面大，占据面积大，自重大。而钢材强度高，韧性大，易于加工;高层钢结构具有结构断面小，自重轻，抗震性能好，钢结构构件可在工厂加工，能缩短现场施工工期，施工方便。但是高层钢结构用钢量大，造价很高，而且耐火性能不好，需要用大量防火涂料，增加了工期和造价。在发达国家，大多数高层建筑采用钢结构，在我国，随着建筑物高度的增加，也有采用钢结构的高层建筑，由于钢筋混凝土和钢结构均各有所长，又各有所短，所以更为合理的结构是同时采用钢和钢筋混凝土材料的组合结构，这种结构可以使两种材料互相取长补短，取得经济合理，技术性能优良的效果，通常钢与钢筋混凝土组合于一个结构中有两种方式：
　　1、用钢材加强钢筋混凝土构件，钢材放在构件内部，外部由钢筋混凝土包住，称为钢骨混凝土构件，它可以充分利用外包混凝土的刚度和耐火性能，又可以利用钢骨减小构件断面和改善抗震性能;也可以在钢管内部填充混凝土，称为钢管混凝土，自90年代初，第一座部分柱子采用钢管混凝土柱的福建泉州市邮局大楼建成以来，已经有几十座建成或在建的钢管混凝土高层建筑，由于钢管混凝土有效地利用了钢材的抗拉强度和混凝土的抗压强度，大大提高了钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力，减小了柱截面有利于抗震，而且由于管内混凝土的吸热作用，增加了柱子的耐火时间;另外，对于高强混凝土的采用提供了可靠的保证，因为外钢管可防止内部混凝土的脆性破坏。
　　2、部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢筋混凝土结构，形成组合结构。通常是钢筋混凝土做的内筒或剪力墙，钢材作框架梁柱。
　　二、高层建筑结构分析
　　结构设计是一项集结构分析，数学优化方法以及计算机技术于一体的综合性技术工作，是一项对国家建设有重大意义的工作，同时，亦是一门实用性很强的工作。对于经济实力还不发达中国，对于目前设计人员按传统设计法造成财产大量浪费的现状，推行能实现资源合理分配、利用，节约建筑造价的结构优化设计方法是势在必行的，同时也是刻不容缓的。那么，概念设计和结构选型就毋庸质疑地被放在了一个极其重要的地位之上。概念设计是展现先进设计思想的关键，一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。
　　任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。随着楼房层数的增多，水平荷载愈益成为结构设计中的控制因素。在高楼结构中，竖向荷载在竖构件中引起的轴向力N，水平荷载Q对结构产生的倾覆力矩M，与房屋高度H存在着如下的关系式：
　　竖向荷载：N=WH
　　水平均布荷载：M=1/2qH2
　　水平倒三角形荷载M=1/3qH2
　　式中，q,W——分别为作用于楼房每米高度上的水平荷载和竖向荷载(kN/m)，由图1可知，随着结构高度的增加，位移增大最快，弯矩次之。
　　

　　通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项。但对于高层建筑结构，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。
　　轴向变形的影响在结构分析中应当考虑，但是，结构所受的竖向荷载并不是在结构完成之后一次施加的。特别是，占竖向荷载绝大部分的结构自重是在施工过程中逐层施加的，轴向压缩变形己在施工过程中分阶段完成，并在各楼层标高处找平，实际上并不完全类似与以上分析的情况。
　　所以，在考虑轴向变形时，要考虑施工过程中分层施加竖向荷载这一因素，不能简单的按一次加载考虑，否则会出现一些不合理的计算结果，如邻近剪力墙和筒体的上层框架柱，在竖向荷载作用下出现拉力;上层框架梁出现过大弯矩和剪力等。另外，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。
　　三、案例分析
　　某大厦主要功能为办公写字楼，设计为高层建筑。根据业主的委托满足大空间、结构安全、经济合理要求，结合城市规划主管部门的条件，经反复推敲和业主协调，方案定为28层综合楼，总建筑面积约25000m2，利用地形高差，主干道某路作为主入口，下部吊2层，以上26层，未设地下室。层高3.3m，建筑高度93.8m，结构高度92.4m。建筑平面为规则对称的井字型平面。
　

　　在现代办公建筑中可以采用的结构体系是多种多样的。根据建筑高度、功能、抗震、经济性等方面综合考虑，为满足办公建筑对建筑功能的要求，本结构采用了一个较为典型的框一筒结构。其特点是在一定程度上克服了纯框架和纯剪力墙结构的缺点，发挥了各自的长处。刚度较大，自重较轻，平面布置较为灵活。由于核心筒的存在，大大的提高了结构的刚度，承担了主要的水平力，因此具有较好的变形能力和抗震性能。该结构体系保证了结构的整体抗震性能，使整个结构具有必要的承载能力、刚度和延性，做到了抗震和抗风性能好。
　　同时在满足建筑功能的前提下，采用剪力墙结构体系进行设计，以比较两种不同结构体系在具有相近的结构性能时的经济性。剪力墙结构体系的特点是侧向刚度大，强度高，空间整体性能好。然而，由于墙体多，重量大，地震作用也大，并且内部空间的布置和使用不够灵活。采用这种结构体系的建筑墙体较多，分布较均匀，使承重结构和维护结构达到较高程度的统一。
　　