浅谈高层建筑结构设计

1、.浅谈高层建筑结构设计摘要：我们的科学技术越来越发达，进而我们的建筑业也催生出许许多多新的结构和施工技艺。由于我们的社会对我们的高层建筑有了更高的要求，所以我们的高层建筑结构也有了新的发展，本文就现代的一些高层结构的设计进行分析和了解。关键词：高层建筑结构设计钢结构荷载结构构件0引言从古代以来，人类在建筑上就有向高处发展的构想，并通过思考和研究，将高层建筑从梦想照进现实。古埃及的金字塔凝结了多少古人的智慧结晶。 21世纪以来，我们对于城市的空间需求越来越大，我们的空间利用率越来越高，我们的建筑物也变得越来越高，我们的高层建筑的结构的设计越来越先进，水平越来越高。接下来就我们一起了解高层建筑结构

2、的设计吧。1高层建筑的界定一般来说，我们判断是否为高层建筑的依据为建筑的高度和层数。世界各地对于高层建筑的规定不同。按照我国建设部最近批准的行业标准，把十层以及以上或者建筑物的高度高于28m的称作高层建筑。2高层建筑结构设计中常见结构2.1承重墙结构承重墙结构在芝加哥19世纪80年代引人钢框架和幕墙以前，承重墙是高层建筑物的主要支承结构。传统的高层砌体建筑物是巨大的重力结构,在那里墙体被理解为独立地发挥作用，它们的作用并不被看成整个三维空间建筑形体的一部分。直到第二次世界大战后,经过工程设计的薄墙砌体结构才被引人欧洲。承重墙结构大部分用于需要频密空间划分的建筑类型，如住宅建筑。承重墙的间距可以

3、较密，例如1218ft(3.65.4m),可直接作为房间之间的分隔，也可以拉开间距，例如相隔30ft(9m)，采用大跨度的楼盖体系来支承进一步划分空间的隔墙。15层或15层以上的砖、混凝土砌块、预制混凝土大墙板或者现浇钢筋混凝土的承重墙建筑,在今天还是很普遍，它们已经可以盖到26层高。承重墙原则上适合多种建筑形式和布局。平面形式涵盖了从板式建筑、不同形状的塔式建筑直至它们的任何组合。墙体布局也可以有不同的形式，例如十字墙、长肢墙、双十字墙、筒状墙和辐射状墙。1通过以上墙体的组合，可以得到无数种混合体系。墙体可以是自然地彼此连续排成一直线，也可以参差错列,它们可以相互交叉，也可以形成单个墙柱作为

4、独立构件发挥作用。承重墙通常既承受重力又承受侧向力。2.2核心筒结构在20世纪60年代,Metabolists把沿着核心筒的竖向流通和服务空间清楚地分隔开，他的思想影响了许多带有外露式服务性竖井的多核心筒建筑物。这些都市建筑群按照KenzoTange"建筑物像生物一样以新陈代谢的方式生长”的话发展着，它们由很多服务性的塔楼组成，其间通过多层横向通道彼此连接,这些塔楼又包含许多再分的间隔。2这种都市型的巨型结构的例子还可以从20世纪70年代的医院规划中找到。住宅建筑的功能是固定的，水电气的供应容易沿竖向布置,因此直线布置的承重墙在住宅建筑中发挥了良好的作用。与此相反，办公和商业建筑在布

5、局上需要最大的灵活性，要求有大面积的开放空间，并由活动隔断再作进一步的分隔，因而在这里，竖向流通和其他服务管线需要集中设置在竖井里,然后水平地引导至每一楼层。2.3桥式结构20世纪年代的设计师们把桥式构的想法变成现实.他们关注大规模城市建筑，并想把首层地面和服务空间与社会活动隔离开。横跨两个竖向支承的大跨度结构有无数种可能的解决方案。与桥式结构的概紧密联系的是核心简结构，许多建筑物通过类似桥梁的方式组成巨型框架来支承次级筑物。同样地，一些悬挂结构也以桥的原理为基础，如在些超高层建筑里，为了稳定的目的采用巨型框架或巨型斜撑，把建筑物重量集中到某些点上，并通过下列结构将空间向连通起来，它们是空腹桁

6、架、桁架、拱、悬吊拱及墙梁等。2.4悬挂建筑将悬挂原理应用到高层建筑而不仅仅是用于屋盖结构,实际上是20世纪的事,尽管涉及悬挂概念的实验可以追溯到20世纪20年代。这个时期的结构主义者发现了大量新的支承结构体系，追求用尽可能少的材料来表现没有重感的建筑。即空间上的轻盈和外立面的通透，没有粗大结构构件所产生的视觉障碍。与框架结构的承压柱相比,用缆索来悬吊楼板只需要大约1/6的材料，这个事实对设计者来说是个新的挑战。除此之外,这种类型的结构在其底部可以形成个没有柱子的空间。从巨大的中央塔顶部伸出庞大的悬臂构件，在它们的端部悬吊受拉的柱子.这样的树型建筑物如今已经常见。它们的楼板或空间单元例如密封舱

7、、盒子建筑)是用竖向或斜向的受拉构件悬挂在支承结构上的。典型的悬挂体系应用的是刚性核心简原理(有外伸梁的单个核心简或多个核心简巨型框架、树状框架等)、牵索桅杆原理和整体X拉或空间网络原理。33高层建筑结构的受力特点与基本要求3.1水平作用是高层建筑结构设计的主要控制因素在高层建筑设计中，高层建筑结构设计是很重要的一环。高层建筑结构不单单是要承受来自竖向的荷载(比如说一些结构的自身重量、楼里移动的人或货物带来的活荷载)，然后还要承受像风的荷载或者地震作用的水平作用。多层建筑，-般可以忽略由水平作用产生的结构侧向位移对建筑使用功能或结构可靠度的影响。4在对高层建筑进行结构的合计的过程中，然而作用在

8、高层建筑物的竖向荷载的和多层建筑物所受到的作用非常的相似。柱子所受到的内部的轴力随着建筑物的高度的增大而变大，这种增大是呈线性关系而进行变化的。然而因为建筑物所受到的水平荷载所导致的弯矩，随着建筑物高度的增大而呈现出一种平方的增大的关系。3.2结构刚度是高层建筑结构设计的关键因素要设计多少层或多高的建筑，这是出自使用的需要，而建筑平面和高度一经确定，外荷载也就不容商榷。为抵抗外荷载(特别是水平作用)引起的内力和制房屋的侧向位移就要要求所使用的结构具有非常大的强度和刚度。3.3高层建筑结构设计宜采用最佳的高宽比建筑物的高宽比，对于多层建筑来说尚不突出，但对高层建筑却显得十分重要。建筑总高度与总宽

9、度要保持合理的比例，才能使建筑体型美观，又满足抗风抗震要求，这是最佳设计的主要条件之一。3.4选择有利于抗侧力的建筑体型在按照建筑的不同功能和不同层数选取合理的结构型式、结构体系，并考虑其最佳高宽比的同时，还必须选择有利于抗风抗震的建筑体型，且宜选用风作用效应较小的平面形状。比如说，双层圆形简中简结构，在承受来自任何方向的风力或地震作用时，所有柱子总的最大内力基本相同，从而可以充分发挥材料性能。还有就是方型塔式简体结构，虽然在水平作用下，各柱的内力有些差异，但由于纵横两个方向质心与重心重合，不产生扭矩，且体型规整，便于施工。然后就是矩形简体结构，当承受水平作用时，其结构受力还是比较好的。其他如

10、由八角形、三角形等平面组成的体型，对抗风度抗震均较有利，各有其特点可取。3.5高层建筑结构设计应统筹布局高层建筑结构设计，应从总体上注意概念设计，我们应该把重放在结构类型的选取上，还有就是需要确定好结构体系，在进行建筑物的抗震设计的过程中，我们应该把结构的平面布局做的有规则一些，我们还要选择一些抗风性能好而且相对来说比较经济环保的结构我们需要特别认真对待的一点是，我们必须要对构造采取有效的加强措施，这样才能使我们所要设计的建筑物和构筑物具有良好的抗震性能，以保证我们的建筑物具有可靠性和安全性。高层建筑结构设计与建筑设计密不可分，不同的结构体系对建筑布局均有不同的影响。例如，高层建筑是以电梯作为

11、主要的垂直交通工具，在结构设计中，应注意如何有效地利用电梯，组织方便、安全而又经济的公共交通体系。其他如供水、供电、通讯设备，防火、防烟、疏散、安全措施以及服务设施、环境、废物处理等等。所有这些，均需要全面考虑与统筹安排，我们还要做好这些措施之间的统一性，我们在进行新的结构的设计时，会带来新的施工工艺和一些材料和方式的创新。在一些层数比较低的建筑物之中，我们往往会把这些对于结构安全不太重要的问题给忽视掉。但是这些问题在我们的高层建筑物中就显得极为重要，我们必须要有足够的重视并采取合理的有效的方法进行处理。其中包括工程技术问题、建筑艺术问题、投资经济效果与社会效益问题，以及对城市建筑的动态平衡、

12、环境影响和给人们的心理影响等。综上所述，高层建筑绝不是建筑层数的简单加高，认识和掌握这些特点，对进行一些层数比较高进行设计是特别重要的。3.6防震缝布置震害调查表明，设有防震缝的建筑，地震时由于缝宽不够，仍难免使相邻建筑发生局部碰撞，建筑装饰也易遭破坏。但防震缝宽度过大，又给立面处理和抗震构造带来困难，故多高层钢筋混凝上结构房屋，宜选用合理的建筑结构方案而避免设置防抗震缝。当建筑平面突出部分较长，结构刚度及荷载相差悬殊或房屋有较大错层时，可设置防震缝。设置抗震缝时，缝的最小宽度应符合以下要求。(1)框架结构(包括设置少置抗震墙的框架结构)房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时不应小于100mm

13、;高度超过15m时，6度、7度、8度和9度分别每增加高度Sm、4m)3m和2m,宜加宽20mm。5(2)框架抗震墙结构房屋的防震缝宽度不应小于规定数值的70%，抗震墙结构房屋的防震缝宽度不应小于规定数值的50%，且均不宜小行100mm。防震继两侧结构类型不同时，宜按需要较观防展缝的结构类型和权低房屋高度确定缝宽，%理、9度柜架结构房屋防震缝两侧结构层高相差较大时，防很缝两制根不上共常精物的机构；框架构件的内力应按设置和不设置抗准地两种计极型的不利情况取值。4高层建筑结构的钢结构设计4.1钢结构的定义钢结构工程是把钢材当做是结构中的主要构成材料，在现在的建筑结构类型中占有非常大的比重。我们常常用

14、于建造跨度比较大、内部空间比较大的建筑物，比如说我们日常生活中常常见到的工业厂房，以及我们经常去的火车站，还有仓库等建筑。4.2钢结构焊接焊接是最主要的节点连接方式。常用的焊接方法有手工电弧焊在熔剂下的自动或半自动埋弧焊、二氧化碳气体保护自动或半自动焊，以及具有特殊用途的熔化嘴电法焊和拉弧式栓钉焊等。焊缝分全焊透(等强连接)焊縫和部分焊透焊缝两种，一般柱和柱、主梁和柱接头间用生强连接焊缝。在单个构件中，传力较大的接头用等强连接焊缝,其余构件可用部分焊透焊缝。6焊接连接的传力最为充分,不会滑移。接头中正确施焊的焊缝将强于母材，有较大的强度储备，且形成刚性的结构。焊接结构有足够的延性,适宜承受反复

15、荷载，但由于操作上的原因，焊接连接存在质量是否能够得到保证的问题,因此要求对焊缝进行探伤检查。从力学上讲，焊接连接有残余应力和残余变形问题，对受压构件局部稳定性和整体稳定性都会有明显的影响，因此，应制订包括焊接次序在内的合理焊接工艺,并规X焊接接头的形式，包括坡口角度，根部间隙和钝边等。栓焊混合连接是指一个连接接头同时采用高强度螺栓摩擦型连接和焊接两种连接形式。该连接施工方便,连接可靠，是工地安装常用的连接方法，常用于梁柱连接接头等重要部位。混合连接在高层钢结构工程中多用于主梁和柱的接头。其中,梁的翼缘和柱用焊缝连接,梁的腹板和柱用高强度螺栓连接。由于这种接头便于在安装时先用螺栓进行定位，故在

16、国内外高层建筑钢结构中用得较普遍，是-种较好的连接方法。这种节点在安装时，一般先紧固腹板上的高强度螺栓，在终拧完毕后再焊接梁糞缘上的焊缝。采用这种连接方式时,在设计中已考虑了焊接时温度对高强度螺栓预拉力损失的影响。4.3钢结构的设计结构中的支撑或墙板经常布置在楼电梯周边的柜架内，必须两个方向都布置支撑或墙板，使两个方向的刚度接近。通常，每列支撑或墙板的宽度为一个柱距，高度以减少为一层:当柱距比较大时，也可以设置跨层支撑，即支撑斜杆跨越两层或两层以上,跨层支撑可减少支撑斜杆与梁柱连接节点的数量。中心支撑框架宜采用十字交叉支撑，也可采用人字形支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形支撑。对于地震区的建筑，规

17、X规定不得采用K形支撑,原因是K形支撑的斜杆受压屈曲或受拉屈服时,将使柱子发生屈曲甚至发生严重损坏。4.4钢结构防火钢材是一种不燃材料，但耐火性能差。它的力学性能，如屈服点、弹性模量及抗拉强度，随着温度的升高而降低,因而会出现强度下降、变形加大等问题。火灾案例和试验结果表明.高温对钢结构是有影响的。从低碳钢的试验情况看，温度在200°C以内时其力学性能基本不变，温度在430540C之间时强度急剧下降，温度为600°C时强度很低而不能承担荷载。在火灾中,没有防火保护的钢结构构件在15min内温度就可能超过600°C。7因此，没有防火保护的钢结构建筑在发生火灾后,很有

18、可能在短时间内因结构承载力下降导致结构不足以承受外部荷载而发生破坏或倒塌。5新高层建筑结构新一代的高层建筑物不必单单建立在经济、功能或风格的考虑上，那是传统的设计态度。高层建筑物可能不仅表现协作的力量，而且表达竖向发展的都市生活。换句话说，单一用途的建筑物可能被多功能的建筑物所取代，都市的基本内涵在这里被延伸到建筑物内部。这种设计态度转而可以通过以下的方式予以阐发:把不同的建筑形状沿竖向堆叠,或者互相水平连接,或者把一些建筑放在另一些建筑内。新的建筑物类型可能有不规则的外形和需要复杂支承结构的复杂空间组织。混合功能的概念可能会引起对环境问题和生活质量的关注，这就引人了绿色建筑。在绿色建筑里，节能、自然采光、自然通风变成首要问题。内部的采光竖井或前庭，连同与外墙连接的水平庭院，都作为给内部空间提供通风和自然采光的输送通道。外墙上有可烟节的洞口，它们可能为了遮阳而凹入墙体。由于表面密封.除了透光薄膜或滤光板之外看不到任何其他东西。在城市竖向发展的理念之下。8作为都市基本架构的自然延伸，公众活动的竖向交互作用连同其他一些常常带有很浓个人色彩，甚至本质上非理性的设计观点，都支持这么一种倾向，既从内部来打破高层建筑的大块格局(例如，采用多层吹拔的前庭竖向的造景),又从外部与不同的建筑物作竖向、横向的连接。6结语我们通过对高层建筑结构的初步了解，我们知道了高层建筑结构设计