高层建筑结构特点趋势

摘 要：高层建筑在世界范围内普遍引起重视和发展,除了城市建设的布局需要以外,土地资源的稀缺性也推动着高层建筑的研究.高层建筑结构的合理性和科学性,促使高层建筑的结构更进一步的提高,主要是新材料、抗震、低碳及新技术的广泛应用.

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1.高层建筑结构的特点

有关高层建筑的定义目前尚没有统一规定,从理论上讲应按照结构的受力特性来划分,即按水平作用对建筑物的影响程度来划分.联合国教科文组织下属的世界高层建筑委员会曾于1972年在美国宾夕法尼亚州的伯利恒市召开的国际高层建筑会议上专门讨论了这个问题,提出将9层及9层以上的建筑定义为高层建筑,并建议按建筑的高度将高层建筑分为4类：第一类,9～16层（最高到50m）；第二类,17～25层（最高到75m）；第三类,26～40层（最高到l00m）；第四类,也称超高层建筑,40层以上（高度在100m以上）.

在我国,关于高层建筑的界限规定也未完全统一.行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3―2002）（以下简称高规）规定,10层及10层以上和高度超过28m的钢筋混凝土民用建筑属于高层建筑.国家标准《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-1995）规定,10层及10层以上的住宅建筑（包括底层设置商业怎么写作网点的住宅）和建筑高度超过24m的公共建筑为高层建筑.建筑高度指建筑物室外地面到其檐口或屋面、屋面板板顶的高度,屋顶上的望塔、水箱间、电梯机房、排烟机房和出屋面的楼梯间等不计入建筑高度和层数内.

高层建筑结构特点包括：

①水平荷载对结构的影响大,侧移成为结构设计的主要控制目标之一.对一般建筑物,其材料用量、造价及结构方案的确定主要由竖向荷载控制,而在高层建筑结构中,高宽比增大,水平荷载（包括风力和地震力）产生的侧移和内力所占比重增大,成为确定结构方案、材料用量和造价的决定因素.其根本原因就是侧移和内力随高度的增加而迅速增长.

②楼（屋）盖结构整体性要求高.高层建筑结构的整体共同工作特性主要是各层楼板（包括楼面梁系）作用的结果,由于楼板在自身平面内的刚度很大,变形较小,故在高层建筑中一般都检测定楼板在自产生平面内只有刚体位移（仅产生平动和转动）,而不改变形状,并忽略楼板平面之外的刚度.因此,在高层建筑结构中的任一楼层高度处,各抗侧力结构都要受到楼板刚体移动的制约,即所谓的位移协调,这时抗侧刚度大的竖向平面结构必然要分担较多的水平力.

③高层建筑结构中构件的多种变形影响大.在一般房屋结构分析中,通常只考虑构件弯曲变形的影响,而忽略构件轴向变形和剪切变形的影响,一般是因为其构件的轴力和剪力产生的影响很小.而对于高层建筑结构,由于层数多、高度高,轴力很大,从而沿高度逐渐积累的轴向变形很显著,中部构件与边部、角部构件的轴向变形差别大,对结构内力分配的影响大,因而构件中的轴向变形影响必须加以考虑.

④结构受到动力荷载作用时的动力效应大.根据结构本身的特点不同,如结构的类型与形式,结构的高度与高宽比,结构的自振周期与材料的阻尼比等的不同,结构受到地震作用或风荷载作用时,产生的动力效应对结构的影响也不同,有时这种动力效应严重影响结构物的正常使用,甚至造成房屋的破坏.

⑤扭转效应大.当结构的质量分布、刚度分布不均匀时,高层建筑结构在水平荷载作用下容易产生较大的扭转作用,扭转作用会使抗侧力结构的侧移发生变化,从而影响各个抗侧力结构构件（柱、剪力墙或筒体）所受到的剪力,并进而影响各个抗侧力结构构件及其他构件的内力与变形.因此,在高层建筑结构设计中,结构的扭转效应也是不可忽视的问题.

⑥必须重视结构的整体稳定和抗倾覆问题.在高层建筑结构设计中,应该重视结构的整体稳定性与结构的抗倾覆能力,防止结构发生整体失稳的破坏情况.

⑦当建筑物高度很大时,结构内外与上下的温差过大而产生的温度内力和温度位移也是高层建筑结构的一种特点.

2.高层建筑的未来发展的趋势

近年来,高层建筑呈现出以下发展趋势：

①新材料的开发和应用.随着高性能混凝土材料的研制和不断发展,混凝土的强度等级和韧性性能也不断地改善.混凝土的强度等级已经可以达到C100甚至更高,在高层建筑中应用高强度混凝土,可以减小结构构件的尺寸,减少结构自重,必将对高层建筑结构的发展产生重大影响.高强度具有良好可焊性的厚钢板将成为今后高层建筑钢结构的主要用钢,而耐火钢材FR钢的出现为钢结构的抗火设计提供了方便.

②层数增多,高度加高.由于城市规划、用地紧张和使用功能等原因,我国高层建筑目前也有一些正在设计或施工的80层以上的建筑.在地震区的钢筋混凝土高层建筑结构设计中,我国处在世界领先地位.

③组合结构高层建筑增多,采用组合结构可以建造比混凝土结构更高的建筑.在强震国家日本,组合结构高层建筑发展迅速,其数量已超过混凝土结构高层建筑.除外包混凝土组合柱外,钢管混凝土组合柱应用很广泛,外包混凝土和钢管混凝土双重组合柱的应用也很多.由于钢管内混凝土在处于受压状态时,能提高构件的竖向承载力,从而可以节省钢材.

④新型结构形式的应用增多.已建成的香港中国银行大厦和正在筹划中的芝加哥532m高的摩天大楼方案,都采用了桁架筒体,并将全部垂直荷载传至周边结构,它们的单位面积用钢量都仅约150kg/m2,特别节省钢材.预计这种结构体系今后在300m以上的高层建筑中将得到更多的应用.巨型框架体系由于其刚度大,便于在内部设置大空间,今后也将得到更多的应用.