高层建筑受到竖向和水平荷载, 如果在地震区, 还要设计承受地震作用。因此, 在高层建筑设计时, 结构需有足够的强度、刚度以及足够的延性, 以满足安全经济的设计要求。
不同结构体系, 其平面布置、立面形状、施工方法、工期长短和造价高低等均有差异。
1 高层建筑平面布置
布置平面结构时高层建筑应遵循简单、对称、规则的原则。塔式高层建筑宜采用矩形、方形、三角形、圆形等建筑平面。在风力较强的地区, 建筑平面宜采用风荷载形体系数较小的形状, 如圆形、椭圆形、正方形、正多边形等形式。
如果高层建筑平面布置复杂不对称将引起刚度和质量的分布不对称, 地震时容易发生扭转, 为此在设计上要求做到对称。建筑平面的长度比不宜过大, 长宽比一般不大于6, 以避免两端相距远震动不同步, 使结构受损。长矩形建筑其平面的尺寸不大于80米。但实际工程中常由于建筑形式的要求而达不到。平面过于狭长, 在地震时容易产生不规则振动, 产生较大震害;平面有较长的外伸时。外伸段因局部振动易凹角处破坏。平面布置成细腰形, 中央的部分狭窄, 在地震时应力集中容易使楼板开裂、破坏。通常不对称的情况主要有:一是建筑构件的刚度和强度不对称;二是建筑外形对称而抗侧力系统不对称;三是具有细长伸出结构的平面;四是质量分布有偏心的情况。在高层建筑抗震设计的要求下建筑能做到平、立面规则简单当然最好, 但实际中, 建筑的平、立面常是不规则。一般就要求建筑体型规则一些, 即对抗震有利, 也允许带有一定的复杂性质。平面是构成形体轮廓的基础, 因此平面形式的变化可以适当的利用结构的力学性能进行造型变异。
设计中宜尽量减小平面刚度的偏心。如果建筑平面不规则, 刚度明显偏心, 则应在设计时内力分析来考虑偏心影响, 并在配筋构造上对边、角部位予以加强。电梯间如果设置在平面凹角部位和端部角区, 需采用剪力墙筒体加强结构。楼板如果狭长或者开洞, 也需要在设计时考虑楼板变形。
平面形状因使用需要而设计得复杂, 可以设置防震缝将其划分为几个简单的结构单元。
2 高层建筑的竖向布置
高层建筑的竖向布置, 要控制高层建筑的高宽比。保证自下而上刚度均匀减小体型均匀不突变, 避免刚度突变产生变形在薄弱楼层的过分集中, 出现严重损坏甚至倒塌。上部结构需要外挑时, 要限制形状, 控制扭转效应和竖向地震作用效应。
空间结构, 由各种空间界面组成, 空间界面是按照建筑构图原理, 利用结构的曲线或曲面来构成。高层建筑空间根据不同的核心筒的布置也构成不同的空间形态随着建筑结构设计的成熟, 现在出现核心筒有分散和分离的结构布置, 也有通过空中连廊将独立的两个或多个单体高层建筑相连, 形成连廊空间是主体建筑向外延伸扩展的空间, 具有独特的视觉效果与空间感受。利用结构框架创造开放空间, 如果是将顶层部分墙、柱取消而形成空旷房间, 需要进行详细的设计, 采取有效的构造措施因为取消的楼层其侧向刚度和承载力相对于下部楼层差很多, 结构不利于抗震, 多利用结构技术与特有的结构体系, 形成开放或者半开的空间。
3 高层建筑的结构体系
高层建筑进行结构设计时, 进行结构选型要选择抗震及抗风性能好而经济合理的结构体系和平、立面布置方案, 加强构造连接, 还要考虑与设备, 以及施工的密切配合, 采用新技术、新工艺和新材料, 达到到结构安全、经济合理的目标。在抗震设计中, 结构的承载力、刚度和延性是重点研究对象, 使得抗震性能满足要求。
目前国内的高层建筑基本上采用钢筋混凝土结构。其结构体系有:框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构等。
常用的结构形式是框架结构体系, 一般就10到15层为佳。它由楼板、梁、柱及基础承受和传递荷载。平面框架主要是梁、柱、基础来承重, 由连系梁连系起来而形成的空间结构。其平面布置简单, 空间大, 立面规则, 结构自重轻, 设计体系现在比较成熟, 只是这种结构在风力作用大的地区或者地震作用的地区, 水平位移较大, 非结构构件破坏会严重, 因为它的柔性大。剪力墙结构体系中, 剪力墙可以提高整个房屋的抗剪强度和刚度, 它的空间整体性好, 有时也将底层或部分层的剪力墙取消换置成框架, 形成框支剪力墙结构, 但地震区不允许采用这种结构。随着建筑高度增加和抗震要求的提高, 由剪力墙构成空间薄壁筒体, 成为竖向悬臂箱形梁, 加密柱子, 以增强梁的刚度, 也可以形成空间整体受力的框筒, 由一个或多个筒体为主抵抗水平力的结构称为筒体结构。
根据建筑的设计要求及使用要求, 还有薄壳、悬索、膜结构、网架等结构体系供选择。
4 高层建筑的设计重点考虑因素
高层建筑中水平荷载水平荷载对结构产生的倾覆力矩和所引起的轴力, 与建筑高度的两次方成正比。它的影响非常大, 比如风荷载和地震作用, 其数值根据结构不同而有较大的变化。结构侧移随着建筑高度的增加, 侧向变形迅速增大, 要求具有足够的抗侧刚度, 否则会因侧移产生较大的附加内力, 使主体结构构件出现大裂缝, 甚至损坏, 导致侧塌。
高层建筑减轻自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑重量大了, 使得地震时地震作用大, 所产生的倾覆力矩大, 造成附加弯矩更大。
高层建筑结构的抗震设计尽管分析软件多, 方法也在不断提高, 分析也是越来越成熟, 但由于地震作用是复杂的和不确定的, 使得理论上的分析和实际情况相差很多。所以, 进行设计的时候, 要意识到高层建筑的概念设计也是很重要的。
摘要：随着经济建设的加速发展, 城市建设中土地越发紧张, 伴随着商业及办公的需要, 高层建筑成为了城市发展建设的主体。要充分了解高层建筑空间结构特点及体系, 实现经济合理、结构安全、质量优良的目标。
关键词：高层,结构设计
参考文献
[1] 李廉琨.结构力学[M].北京:高等教育出版社, 2006.
[2] 李国强, 等.建筑结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 2002.
[3] 郭继武.建筑抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 2002.
[4] 方鄂华.多层及高层建筑结构设计[M].北京:地震出版社, 1995.
[5] 王继泽.高层建筑造型与结构概念设计[M].建筑, 2010.