高层房屋建筑的结构分析与设计(房屋建筑多层)

【摘要】高层房屋建筑的结构设计，比低层、多层房屋建筑有着更精细严格的要求，同时也占有更重要的位置。因为结构体系的选择，在很大程度上决定了建筑的平面布置、空间形态，及对施工技术的要求、施工工期和投资数额等。本文将根据作者多年的工作经验，对高层房屋建筑的结构设计进行分析。

【关键词】高层房屋建筑；结构设计；分析；

随着时代的不断进步，低层、多层房屋建筑逐渐被淘汰，取而代之的是高层房屋建筑。大量的高层房屋建筑工程涌现，由于时间紧迫，所以大多数工程都面临着设计周期短，任务重的问题，于是这些房屋建筑工程的结构设计就通过已经确定的平面和空间布置来确定结构尺寸，再利用电算对结构的周期、位移 、刚度比等进行调整。但是这种方法往往造成房屋建筑工程竣工后出现空间结构设计不合理导致不实用，存在安全隐患等问题，在经济上也会有亏损。

1.高层建筑结构设计特点

1.1水平荷载成为决定因素

水平荷载对建筑的影响主要有两点。第一点，房屋自重和楼面使用荷载对竖构件造成的轴力和弯矩的作用效果与楼房的高度成正比，但是水平荷载引起的倾覆力矩，对竖构件造成的轴力却与房屋高度的平方成正比，可见水平荷载对结构的影响远高于房屋自重和楼面使用荷载。第二点，当房屋达到一定高度后，其竖直方向的荷载基本上不会有大的变化，接近一个固定的数值。但是风荷载和地震作用等水平荷载，它们的作用数值却会随着结构动力特性的变化发生较大的改变。

1.2轴向变形不容忽视

在高层建筑中，竖直方向的荷载也很大，它可以使柱发生较大的轴向变形。当柱发生轴向变形后，会影响连续梁弯矩，减弱连续梁中间支座处的负弯矩，同时会增强跨中正弯矩和端头支座负弯矩。不仅如此还会对预制构件的下料长度的确定造成干扰，要重新确定下料长度就得计算出轴向变形的数据，然后据此调整下料长度[1]。而且轴向变形会影响构件的剪力和侧移，会使得到的结果存在一定的偏差。

1.3侧移成为控制指标

高层房屋建筑与低层房屋建筑相比，还存在结构侧移的问题。由于水平荷载对侧移有一定影响，所以当房屋的高度增高时，侧移变形会增大的很快，因此必须给侧移设定一个极限值，并且将其稳定在这个安全范围之内。

2.高层建筑的结构体系

2.1框架一剪力墙体系

在高层房屋建筑中有时会在建筑平面的一些特殊的地方修建较大的剪力墙，与框架一起组成框架一剪力墙体系，用来弥补强度和刚度达不到标准的框架体系，剪力墙就代替了部分框架。在框架一剪力墙体系，框架主要承担垂直方向的荷载，水平方向的剪力则主要由剪力墙来承担。当有水平方向的荷载时，则由框架和剪力墙机构体系中的达到刚度较大的楼板和连梁共同承担。剪力墙的增设使结构的侧向刚度增强了，同时也有效地缩小了建筑在水平方向上的位移。因为有了剪力墙对水平方向的剪力的分担，所以框架承受的水平剪力减少了很多，而且使竖向的内力分布更加均匀，确保了房屋建筑的高度要求，因此框架一剪力墙体系的房屋建筑高度要比框架体系的房屋建筑高度高[2]。

2.2剪力墙体系

剪力墙体系是指受力主体结构有且仅有剪力墙构件构成的体系。剪力墙体系拥有较高的强度和刚度，单个剪力墙就可以承受水平方向和垂直方向上的所有荷载。剪力墙体系有良好的延性，可以承受地震作用等造成的强变形，避免倒塌。而且剪力墙体系具有传力均匀的特点，稳定的特点使其整体性好，所以在房屋建筑高度上与框架或框架一剪力墙体系相比更具优势。

2.3简体体系

简体体系是指利用一种空间受力构件——简体作为抗侧向压力构件的结构体系。简体体系的荷载分布比较均匀，而且其强度和刚度都很高，它对水平荷载如，风荷载和地震作用的抵抗效果也很好。由于简体体系的特点，一般在超高层或跨度较大的建筑中用的较多。

3.高层建筑结构分析

3.1高层建筑结构分析的基本假定

3.1.1弹性假定

假定高层房屋建筑在受到垂直荷载和风荷载的施压后就会进入弹性工作阶段，此时应该按照弹性方法来计算和分析建筑结构 。当受到的荷载加大时，如地震或台风，一般都会使结构发生较大的位移，此时就会进入弹塑性工作阶段，但是这种情况就不能再用弹性计算方法来分析建筑结构，因为如果再用这种方法计算，得出来的内力和位移都有一定的偏差，并不是真实的结果。

3.1.2小变形假定

虽然小变形假定是常用的假定，但一些人还是存在一些疑虑，他们对P一△效应做了一些调查研究，来验证小变形假定。研究表明，顶点水平位移△与建筑物高度H的比值A/H在一定范围内可以忽略P一△效应的影响，但是当A/H>1/500时，就会产生明显的影响，不容忽略[3]。

3.1.3刚性楼板假定

对于一般的框架体系和剪力墙体系，都假定在自身平面内的楼板的刚度是无限的，对于在这个平面外的楼板的刚度则认为可以忽略。然而也有特殊情况，比如房屋楼层数较少，或者竖向刚度不稳定，抗侧力构件之间的间隙比较大等，这些情况下对楼板变形都有影响。可以通过调整这些楼层的剪力分布来缓解对楼板变形的影响。

3.1.4计算 图形的假定

高层建筑结构体系一般采用计算图形来做整体分析，计算图形包括一维协同分析，二维协同分析和三维空间分析三种。

3.2高层建筑结构静力分析方法

3.2.1框架一剪力墙结构

在计算框架一剪力墙结构中的内力与位移时，可以设置不同的未知量来解算，所以有很多种方法都可以算出框架一剪力墙结构内力与位移。一般是用等效壁式框架来等效结构，然后再求解。

3.2.2剪力墙结构

剪力墙的开洞决定了剪力墙的受力特性和变形状态。在计算剪力墙的内力与位移时，需要根据剪力墙的截面应力分布状况来计算，而且类型不同的剪力墙的应力分布也不一样，所以计算的方法也不同。但是有一种方法可以计算各种类型的剪力墙的内力和位移，那就是平面有限单元法，这个方法不仅通用而且准确。然而平面有限单元法也有弊端，比如计算时间较长，规律性不强，所以并不普遍应用，仅在特殊的应力分布复杂的地方使用。

3.2.3筒体结构

筒体结构的分析方法可分为等效离散化法、等效连续化法和三维空间分析法三种。等效离散化法是用离散的等效杆来代替连续墙体，这样更方便分析计算，平面框架子结构法和核心筒 的框架分析法都是这个类型的。等效连续化方法就是分散的杆件虚拟为连续的，这种连续化分为两种，一种是只想象它在空间分布上是连续的，没有产生作用效果，它的内力可以用连续函数来描述，还有一种则既有空间分布的连续性，也有物理上的连续性。有限单元法就是以第二种情况为基础来计算分析的。

4.結语

高层房屋建筑工程的设计者不能因为时代对房屋的大量需求而对结构设计进行压缩，必须从实际出发，根据真实的环境和条件来设计出合理，实用，经济，安全的结构工程。让房屋建筑不仅达到建筑设计的要求，也满足人们对居住环境的要求。

参考文献：

[1]徐氢清. 高层房屋建筑结构设计分析与探讨[J]. 中国新技术新产品，2011，20：193.

[2]章阿毛. 对高层房屋建筑施工技术的分析与思考[J]. 经营管理者，2012，10：299+272.

[3]马宝芹，臧建. 论高层建筑结构分析与设计特点[J]. 科技致富向导，2011，06：197+247.