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高层建筑结构

摘要：本文主要讲述了高层建筑。包括剪力墙结构，框架结构，筒状结构。通过对高层建筑中最普通的结构形式的分析，得出在设计过程中，应尽可能经济实用地选择合理的形式。
关键词: 高层 结构 荷载
⒈前言
人类从文明社会的开始就向往着高楼大厦，最初建造的高大建筑是为了防御侵略，随后发展到教会建筑。现在高层建筑始于十九世纪八十年代，主要用于商业和住宅，但是高层建筑并没有明确的定义，可以说2～3层的建筑物为底层建筑，而从3～4层到10层或20层的建筑物为中层建筑，高层建筑至少为10层或者更多。
尽管在原理上，高层建筑的竖向和水平构件的设计同低层及多层建筑的设计没什么区别，但使竖向构件的设计成为高层设计有两个控制性的因素：首先，高层建筑需要较大的柱体、墙体和井筒；更重要的是侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大的多，必须谨慎设计来保证。
高层建筑的竖向构件从上到下逐层对累积的重力荷载进行传递，这就需要有较大尺寸的墙体或者柱体来进行承载。同时，这些构件还要将风荷载及地震荷载等侧向荷载传给基础。但是，侧向荷载的分布不同于竖向荷载，他们是非线性的，并且沿着建筑物高度的增加而迅速地增加。例如，在其他条件都相同时，风荷载在建筑物底部引起的倾覆力矩随建筑物高度近似地成平方规律变化，而在顶部的侧向位移与其高度的四次方成正比。地震荷载的效应更为明显。
对于低层和多层建筑物设计只需考虑恒荷载和部分动荷载时，建筑物的柱、墙、楼梯或电梯等就自然能承受大部分水平力。所需考虑的问题主要是抗剪问题。对于现代的刚架系统支撑设计，如无特殊承载需要，无需加大柱和梁的尺寸，而通过增加板就可以实现。
不幸的是，对于高层建筑首先要解决的不仅仅是抗剪问题，还有抵抗力矩和抵抗变形问题。高层建筑中的柱、梁、墙及板等经常需要采用特殊的结构布置和特殊的材料，以抵抗相当高的侧向荷载以及变形。
如前所述，在高层建筑中每平方英尺建筑面积结构材料的用量要高于低层建筑。支撑重力荷载的竖向构件，如墙、柱及井筒，在沿建筑物整个高度方向上都应予以加强。用于抵抗侧向荷载的材料要求更多。
对于钢筋混凝土建筑，随着建筑物层数的增加，对材料的要求也随着增加。应当注意的是，因混凝土材料的质量增加而带来的建筑物自重增加，要比钢结构增加得多，因为混凝土自身的重量可以抵抗倾覆力矩。不过不利的一面是混凝土建筑物自重的增加，将会加大抗震设计的难度。在地震荷载作用下，顶部质量的增加将会使侧向荷载剧增。
无论对于混凝土结构设计，还是对于钢结构设计，下面这些基本的原则都有助于在不需要增加太多成本的前提下增强建筑物抵抗侧向荷载的能力。
增加抗弯构件的有效宽度。由于当其他条件不变时能够直接减小扭矩，并以宽度增量的三次幂形式减小变形，因此这一措施非常有效。但是必须保证加宽后的竖向承重构件非常有效的连接。
在设计构件时，尽可能有效地使其加强相互作用力。例如，可以采用具有效应力状态的弦杆和桁架体系；也可在墙的关键位置加置钢筋；以及最优化刚架的刚度比等措施。
增加最有效的抗弯构件的截面。例如，增加较低层柱以及连接大梁的翼缘截面，将可直接减少侧向位移和增加抗弯能力，而不会加大上层楼面的质量，否则，地震问题将更加严重。
通过设计使大部分竖向荷载，直接作用于注意的抗弯构件。这样通过预压注意的抗倾覆构件，可以使建筑物在倾覆拉力的作用下保持稳定。
通过合理地放置实心墙体及在竖向构件中使用斜撑构件，可以有效地抵抗每层的局部剪力。但仅仅通过竖向构件是不经济的，因为使柱及梁有足够的抗弯能力，比用墙或斜撑需要更多材料和施工质量。
每层应加设充足的水平隔板。这样就会使各种抗力构件更好地一起工作，而不是单独工作。
在中间转换层通过大型竖向和水平构件及重楼板形成大框架，或者采用深梁体系。
应当注意的是，所有高层建筑的本质都是地面支撑的悬臂结构。如果合理地运用上面所提到的原则，就可以利用合理的布置墙体、核心筒、框架、筒式结构和其他竖向结构分体系，使建筑物取得足够的水平承载力和刚度。本文后面部分将对这些原理的应用做介绍。
⒉剪力墙结构
在能够满足其他功能需求时，高层建筑中采用剪力墙可以经济地进行高层建筑的抗侧向荷载设计。例如，住宅楼需要很大隔墙，如果这些隔墙都设计为实体的，那么它们可以起到剪力墙的作用，既能抵抗侧向荷载，又能承受竖向荷载。对于20层以上的建筑物，剪力墙极为常见。如果给予足够的宽度，剪力墙能
有效地抵抗30～40层甚至更多的侧向荷载。
但是，剪力墙只能抵抗平行于墙平面的荷载（也就是说不能抵抗垂直于墙面的载荷）。因此有必要经常在两个相互垂直的方向上设置剪力墙，或者在尽可能多的方向布置，以用来抵抗各个方向的侧向荷载。并且，墙体设计还应考虑扭转的问题。
在设计过程中，两片或者更多的剪力墙会布置成L形或者槽形。实际上，四片内剪力墙可以被联结成矩形，以更有效地抵抗侧向荷载。如果所有外部剪力墙都连接起来，整个建筑物就像是一个筒体，将会具有很强的抵抗水平荷载和抵抗扭矩的能力。
通常混凝土剪力墙都是实体的，并在有要求时开洞，而钢剪力墙常常是做成桁架式。这些桁架的组成构件将受到或拉或压力。从强度和变形控制角度来说，桁架有着很好的功效，并且管道可以在构件之间穿过。当然，钢桁架墙的斜向构件在墙体上要正确放置，以免防碍开窗、循环以及管道穿墙。
如上所述，电梯墙、楼梯间及设备竖井都可以形成筒状体，常常用它们既抵抗竖向荷载又抵抗水平荷载。这些筒的横断面一般是矩形或圆形，由于筒结构作用，筒状结构能够有效地进行各个方向上的抗弯和抗剪。不过在这样的结构设计中存在的问题是，如何保证在门洞边和其他孔洞边的强度。对于钢筋混凝土结构，通常使用特殊的钢筋配置在这些孔洞的周围。对于钢剪力墙，则要求在开洞处加强节点连接，以抵抗洞口变形。
对于很多高层建筑，如果墙体和筒架进行合理的安排与连接，会起到很好的抵抗侧向荷载的作用。还要求由这些结构分体系提供的刚度在各个方向上应大体对称。
⒊框架结构
在建筑物结构设计中，用于抵抗竖向和水平荷载的框架结构，常作为一个重要且标准的型式而被采用。它适用于低层、多层建筑物，亦可用于70～10层高的高层建筑物。同剪力墙结构相比，这种结构更适合在建筑物的内部或者外围的墙体上开设矩形孔洞。同时它还能充分利用建筑物内在任何情况下都要采用的梁和柱的刚度，但当柱子与梁刚性连接时，通过框架受弯来抵抗水平和竖向载荷会使这些柱子的承载能力变得更大。
⒋筒状结构
超过30层或者40层的高层建筑，最好采用筒状结构，以进行抵抗侧向荷载的设计。相比于剪力墙结构和框架结构，这一结构将会给予建筑物更大的承载力和刚度。当有效地将材料用在外围时，可以得到最大的抗弯力臂。
如果希望高层建筑的外围为矩形窗洞，那么可以用较大的窗裙梁连接排柱或大型窗间柱以组成框筒。然而值得注意的是，作为一个基础支撑的垂直悬臂构件，框架筒在弯曲变形时，柱间将会出现剪力滞后，其结果是应力不再呈线性分布，而且那些不具有N形和A形的柱子的应力要比所希望的线性值大一些。通过现代计算程序可以对筒状设计剪力滞后效应进行计算。但是，在初步设计时，角柱的内力可以近似为线性假定值的1.5倍。框筒的主要问题是必须做很大的窗裙梁。当然，当梁很高而柱很宽时，会使开洞较小（小于30％），框架筒就会退化为开洞的实腹壁筒。
开小尺寸洞实腹壁筒通常都是钢筋混凝土的。框架筒结构既可以是钢结构，也可以是混凝土结构。桁架通常是钢结构的。外柱之间加斜腹杆成为桁架筒，具有很好的抵抗侧向荷载的能力，它可以整体进行抗倾覆，并利用桁架杆件的轴向力直接进行抗剪（而不是抗弯）。尽管有些窗户的位置和尺寸都受到斜向构件的影响，但同混凝土筒相比，还是具有很大的开洞面积。
还可以进行混凝土桁架筒状结构的设计。将一些混凝土板沿着一条斜线放在不同高度，就形成桁架的斜腹杆。这显然是一种建造混凝土高层建筑的经济方法。
筒中筒概念提供了另一种非常好的设计方案。大尺寸的外筒可以很好的抵抗倾覆力，但是开洞的需求将会降低这种外筒的抗剪能力，特别是对于下面几层。另一方面，内筒比外筒更结实，可以较好地抵抗层间剪力。不过，由于和外筒相比内筒较细，这就使其倾覆能力并不是太强。筒中筒结构既可以采用钢结构，又可以采用混凝土结构，甚至还可用钢结构和混凝土结构混合设计。例如，如果采用混凝土结构做内筒，而用钢框架做外筒的话，那么系统将能够非常有效的抗弯，并有足够的抗剪刚度。
⒌结论
以上所述就是高层建筑最普通的结构形式。在设计过程中，应尽可能经济实用地选择合理的形式。