一文掌握高层结构受力特点及设计流程

本文将系统梳理了高层结构体系及受力特征，帮助大家对受力状态有感性的理解和认识，同时了解结构设计流程,掌握结构设计的脉络。

做为《高层设计实战班》的第一节课，也提纲挈领的讲解本次课程的所有结构内容，希望通过后续80小时的直播讲解帮助大家真正独立上手高层。

01

高层结构体系

常见的结构体系按材料分类，有砌体结构、混凝土结构、钢结构、混合结构、木结构等；

砌体结构中分为砌体结构、底部框架抗震墙结构等；

混凝土结构分为框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、框筒结构等；

钢结构分为钢框架结构、钢框架-中心支撑结构、钢框架-偏心支撑结构等；

混合结构是混凝土与钢结构共同组成的抗侧力结构体系。

无论是哪种结构，结构设计的理念与逻辑都是相通的。

《高规》规定，10层及以上或房屋刚度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高层民用建筑为高层建筑；

房屋高度指自室外底面至房屋主要屋面的高度，不包括突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。

有几种特殊情况：

1、对于坡屋面可取檐口到屋脊的一半高度（H1+1/2H2）作为房屋高度。

2、对于室外地坪不在同一标高的情况，一般取最不利一侧计算房屋高度；

3、对于有下沉庭院，下沉广场可按地下室顶板局部开洞，可按照室外地面计算，一般不从下沉地面算起。

1.1 框架结构

通过框架柱与框架梁组成的纵横两个方向的框架形成的结构体系为框架结构，其特点是平面布局灵活、空间较大；

经常用于商业、车站、机场等公共建筑，但其抗侧刚度较小，侧移大，所以其高度不能太高，高烈度区框架结构高度更受到限制。

一般常用的常用柱距为6~10m。框架结构好比积木一样，可随意拼凑，跃层形式，退台形式，坡屋顶形式或转换形式等等（见图1.1.1）。

图1.1.2框架结构示意图

《高规》对框架结构高度限值（A级高度）有明确规定，相比其他结构形式高度较小较小。框架结构主要抗侧力构件为框架柱与框架梁，梁柱刚接，相比于梁柱铰接(排架)，框架柱有反弯点，承受的弯矩明显减小，所以相比于排架结构，框架柱有明显的受力优势，侧移也较小（见图1.1.2）。

2023年土耳其地震中，破坏的结构有一部分为单项布置框架梁的结构，即排架结构，柱承受较大的弯矩，抗震不利。框架结构水平荷载变形以剪切变形为主，底部楼层变形较大，后续章节会对剪切变形及弯曲变形进行详细介绍。

图1.1.2框架结构与排架结构示意

在地下结构中，地震力很小，为了减小层高，节省造价，水平楼盖平板直接支承在柱子上，而不设主梁和次梁，楼面荷载直接通过柱子传到基础，即无梁楼盖。

无梁楼盖也属于框架结构，因为没有梁，所以楼板厚度大，局部柱顶加厚部位设置柱帽抗冲切，机电管线避开柱帽位置即可达到节省净高的目的。（如图1.1.3）但无梁楼盖因施工时过度堆载，柱帽容易引起脆性破坏（如图1.1.4），相比之前几年，目前采用较少。

图1.1.3 无梁楼盖示意图

图1.1.4 无梁楼盖冲切破坏

1.2 剪力墙结构

纵横向的主要承重结构全部为钢筋混凝土墙的结构，剪力墙又称抗震墙，同时承受竖向作用与水平作用。

与框架结构不同，剪力墙结构墙肢较长，平面布置有局限性。剪力墙结构水平承载力高，相对框架结构抗侧刚度大，侧移小，用于多高层住宅，公寓。高层剪力墙住宅可分为塔式和板式住宅（见图1.2.1），塔式住宅平面长宽接近，以公共楼梯、电梯为核心布置的多户住户的住宅；板式住宅俗称板楼，平面长度明显大于宽度，由多个单元组成，规矩，南北通透，光照较好。

图1.2.1 塔式住宅与板式住宅

虽然剪力墙抗侧刚度较大，但由于剪力墙自重较大，所以当高度超过一定高度后，不仅不经济，而且水平作用下侧移大。剪力墙与框架结构的局限性及优势正好互补，所以框剪结构在高层中也普遍应用。

问题： 剪力墙结构底部几层，有局部几跨裙房框架柱，框架柱与剪力墙未设缝脱开，结构体系属不属于剪力墙结构了呢？

答案： 依然属于剪力墙结构 。 判断是否为剪力墙结构体系，主要看主要的抗侧力构件是否为剪力墙，如果是，那么就属于剪力墙结构。《高规》8.1.3条明确了剪力墙结构与框架-剪力墙结构的区别。所以，在带裙房的高层中，或者高层剪力墙结构柱有个别框架柱，只要剪力墙倾覆力矩占比超过90%，那么仍属于剪力墙结构。此部分内容在框架-剪力墙的结构案例中会详细说明。

1.3 框架-剪力墙结构

由框架与剪力墙共同承受水平荷载的结构体系称为框架-剪力墙结构。

框架-剪力墙结构充分发挥框架结构平面布置灵活及剪力墙结构侧向刚度大的特点，所以经常应用于高层办公、医院、学校等公共建筑，其平面示意图如图1.3.1。框架-剪力墙结构空间以框架为主，并布置一定数量的剪力墙，通过楼盖将二者联系在一起共同抵抗水平荷载，示意图如图。

1.3.1 框架-剪力墙结构平面示意图

1.3.2 框架-剪力墙结构的协同变形图

1.4 框架-核心筒结构

筒体结构由筒体作为主要抗侧力结构的高层结构体系。筒体结构包括框架-核心筒及筒中筒结构，是超高层常用的结构体系。

框筒结构外框只有柱子，无剪力墙，有良好的采光，所以较高的高层办公楼绝大部分都是框筒结构（如图1.4.1），超高层中外框柱采用钢柱（或钢管混凝土），楼面钢梁采用钢梁，混凝土构件与钢构件共同组成抗侧力体系，则属于混合结构；

而仅在外框柱中设置了型钢的框架核心筒结构，抗侧力构件仍为混凝土构件，不属于混合结构。

框架框筒结构也属于框剪结构的一种，60m以下的框筒结构按框架-剪力墙结构设计。

图1.4.1 框架核心筒结构

当外框柱很密，或设置剪力墙，外围也围城了筒体，就是筒中筒结构，筒中筒结构有较大抗侧力刚度，在超高层中广泛被应用。筒体结构外筒有时也是钢-斜撑组成的钢外筒。

图1.4.1 框架核心筒结构

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02

高层结构受力特点

2.1 高层结构整体受力特点

高层结构好比嵌固端在地面的悬臂构件，在自重与活荷载下，是受压构件，在水平荷载作用下，类似于悬臂梁，结构的高度即悬臂的长度。相应的，高层结构最大高度好比悬挑长度，最大高宽比好比悬挑的跨高比，结构的位移及位移角评估整体刚度，好比悬挑梁控制悬挑梁的挠度，见图2.1.1。

对于各种结构形式都要控制其高度，规范规定的A级高度（如图2.1.2），超过A级高度则属于超高层，需进行超限审查，超A级不超过B级时进行省内超限审查，而超过B级高度需进行国家级超限审查。普通多高层结构指的是不超过A级高度的结构。

图2.1.1 高层整体受力与悬挑梁的类比

高层结构整体在竖向荷载（恒活荷载）作用下，存在轴力，水平作用下，存在剪力、弯矩，所以高层结构整体是压弯构件，并承受水平剪力，当水平作用弯矩引起的边缘拉应力大于轴力是，局部竖向构件变为拉弯构件，混凝土构件受拉不利，此时配筋会很大。

2.2 剪力墙结构受力特点

2.2.1 剪力墙结构结构构件

剪力墙开洞形成连梁，墙肢与墙肢之间通过连梁相连，连梁属于剪力墙的一部分，混凝土等级同剪力墙，连梁都根据跨度和高度的比值分为深连梁，强连梁，普通连梁，弱连梁（如图2.2.1）。

图2.2.1 剪力墙开洞示意图

剪力墙结构主要靠剪力墙与连梁承受水平作用的剪力，剪力墙平面内的墙长一般较长，而构件的刚度与截面惯性矩有关，截面惯性矩是，剪力墙长度一般1600mm以上，所以平面内有较大的刚度，而平面外抗侧力刚度很小，计算中忽略其平面外的刚度。

剪力墙平面内与平面外示意图见图2.2.2。仅在剪力墙平面内，两端都与剪力墙墙肢相连的的梁才属于连梁，而在剪力墙平面外相连，或一段与剪力墙平面外相连的梁均不属于连梁，因剪力墙平面内刚度弱，所以与其平面外相连的梁一般设计为铰接。除了剪力墙与连梁，剪力墙结构中还有一端铰接的框架梁、次梁、楼板；砌体填充墙在剪力墙结构中不是承重墙，计算中按荷载考虑。剪力墙结构构件见图2.2.3。

图2.2.2 剪力墙平面内与平面外

图2.2.3 剪力墙结构中的构件

2.2.2 各类剪力墙结构的受力特点

剪力墙结构因洞口大小，分为整截面墙，独立悬臂墙，整体小开口墙，联肢墙及壁式框架。各类剪力墙结构示意图见2.2.4，其受力如下，

（1）整截面墙：截面正应力呈直线分布；高度方向弯矩图既无突变，无反弯点；以弯曲型为主。

（2）独立悬臂墙：连梁无约束；各截面正应力直线分布；弯矩图无突变，无反弯点；以弯曲型为主。

（3）整体小开口墙：连梁约束强，整体性很好。弯矩图有突变，但基本上无反弯点；以弯曲型为主。

（4）联肢墙：连梁有约束；弯矩图有突变，一些楼层有反弯点；正应力已不呈直线分布；以弯曲型为主。

（5）壁式框架：洞口大，连梁与墙肢的截面弯曲刚度接近，墙弯矩与框架柱相似，弯矩图在楼层处有突变，均有反弯点，变形呈剪切型。

图2.2.4 各类剪力墙结构受力特点

类似于排架结构，对于独立悬臂墙，连梁无约束，如连梁点铰接或无连梁情况，虽然墙体弯矩图无突变，无反弯点，但相对于同种条件下连梁有约束情况，墙体弯矩会增加较大，如图2.2.5，所以一般情况下，不要进行连梁的铰接或采取不设置连梁的结构布置。

图2.2.4 连梁无约束后剪力墙弯矩增加

当剪力墙洞口较大时，连梁为弱连梁，连梁与墙肢的截面弯曲刚度接近，墙弯矩与框架柱相似，此时弯矩图在楼层处有突变，均有反弯点，变形呈剪切型，此结构体系受力性能好比框架结构，在高层剪力墙设计中应尽量避免。所以受力性能较好的剪力墙结构为联肢墙或整体小开洞墙，其连梁有约束，弯矩图有突变，一些楼层有反弯点，以弯曲型为主。

2.3 框架-剪力墙结构受力特点

2.3.1 框架-剪力墙结构优势

框架剪力墙结构是剪力墙与框架柱共同抗侧力的结构体系，即充分发挥框架结构平面布置灵活的优点，又结合了剪力墙结构侧向刚度大的特点，在高层公共建筑中，经常用到，比如酒店、办公楼、医院等。

2.3 框架-剪力墙结构受力特点

在框架-剪力墙结构中，因为剪力墙刚度大，布置一定数量的剪力墙，其他空间位置以框架柱为主，通过楼盖将二者联系在一起共同抵抗水平荷载。

虽然剪力墙数量看起来较少，但因刚度较大，承担大部分的水平荷载，而框架只承担较小的一部分水平荷载。当剪力墙结构数量较多时，底部规定水平力下倾覆力矩大雨90%以上，则可看成剪力墙结构；

当剪力墙很少，底部规定水平力下倾覆力矩少于50%时，框架承担一半以上的地震力，则框架为主要抗侧力构件，属于少墙框架，此结构体系大震下，剪力墙容易破坏，抗震不利，所以《抗规》要求按框架结构与框剪结构取包络设计。常规的框剪结构剪力墙与框架比例在一定范围内，底部剪力墙承担规定水平力下倾覆力矩在20~50%之间，是性能最好，所以无特殊说明，我们所以的框剪结构指的就是此类型结构。

框架结构以剪切变形为主，底部变形较大，剪力墙以弯曲变形为主，底部变形小，上部弯曲变形大，所以在楼板的变形协调作用下，低楼层剪力墙拉着框架；高楼层框架拉着剪力墙。很多情况下，较高楼层框架结构倾覆弯矩大于100%。变形示意图见图2.3.1。

图2.3.1 框架-剪力墙结构变形示意图

03

结构设计流程

3.1 结构设计前置条件

（1）建筑结构设计5个专业

建筑专业是龙头专 业，负责布置房间功能，消防疏散，功能的合理与好用是建筑的核心点，以及造型美观等等，

结构是为建筑服务的，好比人体骨架，保证建筑的安全；

设备中给排水即给水、排水；

设备暖通负责使用阶段供暖、通风；

电气负责使用阶段强电（电器）、弱电（电讯）。

（2）结构设计前置条件：

a.国家规范、标准、地方标准、政府文件等

b.建筑条件

c.地质勘察报告用于设计基础

d.其他条件（厂家条件等）

（3）建筑识图：重要信息

a 总平面图：场地情况，单体数量，单体正负零(一层建筑地面)的绝对标高；

b 平面图：平面尺寸、功能、有无地下室、是否开大洞、楼电梯位置、隔墙等；

c立面、剖面：建筑高度、各层层高、有无坡屋面、楼面面层厚度、室内外高差等设；

d楼梯详图：楼梯形式，楼梯平台净高，楼梯板跨度，梯井；

e节点详图：墙体节点做法，楼层梁与外墙关系，出屋面女儿墙；

3.2 工程各阶段

1 规划方案阶段

规划报批及方案阶段是方案的前期，此阶段主要建筑专业参与，规划总平面图、建筑外立面效果图，建筑平、立面初步图纸。此阶段结构专业基本无需太多参与，可简单了解地方规定、基本风压、抗震设防烈度、抗震设防类别，根据建筑平立面初步判断结构体系即可。

2 初步设计阶段

初步设计阶段一般提供初步设计说明+初步设计图纸进行初步设计评审，初步设计文件中，包含基础平面图与各层平面布置图，模型基本准确，指标合理，计算通过。有些开发商项目或较小项目将初步设计融入到施工图设计中，所以也无初步设计评审。

3 施工图阶段

施工图阶段也是结构设计的主要阶段，需完成全套施工图、准确的模型及计算书。结构专业需要选择正确的设计参数，建模细算，检查计算指标，分析合理性，反馈建筑专业准确的结构构件并绘制全套施工图，包括：总说明、基础、模板、墙柱、梁、板、楼梯、节点等，并整理计算书进行施工图外审。

图3.2.1 工程各阶段示意图

4 施工图审查阶段

施工图完成后报给审图机构，审图机构会提出一部分意见，设计方需根据审图意见进行施工图修改，个别有异议的可以电话和审图专家沟通，达成一致。部分地区简单项目取消了施工图审查，有些地方改变为抽查方式。审查完成后，方可办理施工许可证。

5 现场施工及后期服务

现场开始施工后，甲方会组织施工单位识图后会进行技术交底；基坑开挖后会进行基坑验验槽，地勘单位与设计单位均需确认；施工过程中存在的问题会以变更单或联系单形式进行沟通，施工单位与设计单位是合作关系，共同配合完成工程建设。

6 工程验收阶段

主体结构封顶后会甲方会组织进行主体验收；工程全部完成后，可交付或使用前，会组织竣工验收。

3.3 施工图设计配合流程

建筑设计与结构设计同时进行，并不是建筑专业完成后进行结构设计。

通常情况下，建筑会提3次条件，第1次条件提供平、立、剖面，结构粗算后返给建筑专业竖向构件大小，设备专业反馈设备用房，第一次条件期间，结构完成初算，并开始完成模板图（初步设计内容）；建筑细化后提供第2此建筑条件，此次应为完善的功能平面，包含楼梯详图；第二、第三次条件期间，结构完成模板图绘制，然后反提建筑准确梁高；可以绘制墙柱图、板配筋图、基础、楼梯图，一般不画梁配筋图，因为梁配筋图比较繁琐，而且稍有修改，就有变化，所以一般梁图放在最后；

第四次条件，建筑会提出外墙大样、屋面详图等等细部内容，设备专业也会提供设备基础、墙体开小洞口、预留套管等条件，结构绘制梁配筋图及节点图；任何时段都可以编制图纸目录与总说明；完成全部图纸后，进行内部校对、审核、审定（项目开始前，一般要有审核审定专业定案），完成专业之间的会签；接下来整理计算书提交外审（部分地区已取消外审），外审意见回来后，再进行按意见修改，外审专家无意见后可正式出图。流程示意图见图3.3.1。每个大院细部时间节点内容不完全相同，但大致流程一致。

图3.3.1 建筑结构施工图配合过程示意图

3.4 结构施工图设计流程

结构单专业施工图设计，大概分以下几个部分：前期定案、估算建模、上部计算、基础计算、图纸绘制与计算书整理。

（1）前期定案中以概念设计为主，了解建筑方案，自然条件，设防类别等，选择合适的结构体系，预判结构不利位置，平面不规则或超长时进行变形缝的设置等；

（2）估算建模时需要了解常用板跨度、梁高、墙长与墙厚度、柱大小以及恒活荷载的取值，进行建模计算；

（3）上部结构时需要掌握软件参数设置，对计算结构进行合理性分析，需要满足整体指标要求以及构件承载力及使用要求；

（4）基础计算时，保证上部模型已经调整准确，并根据地勘报告初步判别基础形式，根据上部结构荷载验算地基承载力及基础承载力；

（5）施工图绘制时，根据计算结果及构造要求，进行构件施工图绘制，并整理相关计算书，提交内审、外审；完成意见修改后，算正式完成施工图设计。示意图见图3.4.1.

图3.4.1 结构施工图设计流程示意图

参照上部流程，以剪力墙结构设计为例，细化后可分为一下8个部分，每一部分的主要内容如下：（见图3.4.2）

1、概念设计：受力原理，结构概念

（1）自然条件：设防烈度、风压等（水平荷载）

（2）建筑概况：抗震设防类别、高度（抗震等级）、建筑功能、面层厚度、砌体材料（恒活荷载）、是否超长、平面及竖向的规则性

（3）规则性：先天性指标

2、估算与建模

（1）墙截面特点及布置原则

（2）梁板布置及截面估算

（3）建模及恒活荷载布置

3、参数设置：

（1）地震作用，风荷载参数设置

（2）抗震等级及构件信息等主要参数

（3）墙体混凝土等级及特殊构件定义

4、结果查看：合理性，整体指标，构件

（1）10大整体指标含义及超限调整

（2）墙承载力及梁承载力及超限调整

5、图纸绘制：

（1）了解构造要求：墙、梁、板的配筋构造，墙轴压比，配筋率，配箍率等

（2）计算+构造取大值绘图，包括墙梁板等

（3）特殊部位：地下室、出屋面等绘图

6、基础计算：

（1）地勘报告及基础形式

（2）地基承载力计算

（3）基础承载力及沉降的计算

7、基础绘图：

（1）构造要求及图纸绘制

（2）基础特殊节点

8、计算书整理

图3.4.1 剪力墙结构设计流程示意图

其中，软件计算部分，虽然不需要我们手算，但我们要了解其计算过程，对于整体指标我们要了解其概念及影响因素，对于构件承载力，要明白先算但工况内力，再进行内力组合，再进行内力调整，最后根据最不利内力组合进行构件验算及配筋；设计过程中如果碰见构件计算异常的情况，我们要查看构件的但工况变形及内力，然后查看组合内力值，这样便很容易找到问题所在。

图3.4.2 软件计算内部过程示意图

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