高层建筑的结构设计详解

作者：周建荣

高层建筑结构体系与宏观受力特点

高层建筑最新高度：

结构体系简述 

悬臂柱体系(传统高层建筑结构体系) 

传统高层建筑可整体看作一根巨型的悬臂柱;

在实心的巨型悬臂柱中,通过不同的空间开洞方式形 成不同的结构体系,例如框架结构、剪力墙结构、框 剪结构、框筒结构、巨型框架-核心筒等等； 

高层建筑结构属于特殊的空间结构，楼盖结构将所 有竖向构件（筒体、剪力墙、框架柱、支撑）连成 整体，实现共同工作；

在水平力（风、地震）作用下，整体结构具有悬臂 柱内力分布特点—弯矩、剪力沿根部方向逐渐增大， 根部弯矩、剪力最大。

索作为主抗侧力构件的超高层建筑 DCH塔属于索作为主抗侧力构件的新型超 高层建筑，有别于传统超高层建筑： 

索作为第一抗侧力主构件； 

水平力作用下，筒体不具有悬臂柱内力 分布特点；由于索的存在，筒体最大弯 矩出现在中部，非根部； 

抵抗水平力由受拉侧索、筒体、受压侧 索共同承担；

常见高层建筑结构体系

常见高层建筑结构体系如下：

250m以上高层建筑结构体系

高度超过250 m 的超高层建筑 结构，一般采用框架-核心筒、 框筒-核心筒、巨型框架-核心筒 和巨型框架-核心筒-巨型支撑4 种结构体系；

框架-核心筒、框筒-核心筒适 用于高度250 ～ 400 m 的超高 层建筑;

巨型框架-核心筒、巨型框架- 核心筒-巨型支撑适用于高度300 m 以上的超高层建筑。

上海中心结构体系

塔楼抗侧力体系为巨型框架- 核心筒-外伸臂结构体系； 在8 个机电层区布置6 道两 层高的外伸臂桁架和8 道箱 形空间环形桁架。 由箱形空间环形桁架和巨柱 形成外围巨型框架

高层建筑结构宏观受力特点 高层建筑设计中，水平荷 载（作用）是主要荷载，结 构高度和抵抗侧移是设计的 主要矛盾； 随结构高度增加，在水平 力作用下，侧向位移增加最 快，其次是弯矩、轴力。

用于承担重力荷载的结构 材料用量，与房屋层数成线 性比例增加； 其中用于楼盖结构的材料 用量大体是定值，几乎与结 构层数无关； 用于墙、柱等竖向承重构 件的材料用量，则随房屋的 层数比例增长； 用于抵抗水平侧力的结构 材料数量，则按房屋层数二 次方的关系曲线急剧增长。

高层建筑结构设计指导思想

结构的均匀

对称性 

结构的对称性

结构的对称性指高层建筑中抗侧力的主体结构对称； 对称的建筑容易实现结构的对称性； 不对称的建筑如平面形状L形、T形、S形等高层建筑， 需进行合理的结构布置（如筒体、剪力墙的合理布 置），设法调整的刚心与建筑质心、平面形心尽量 接近，实现结构的基本对称；  结构较大不对称，引起水平力下较大扭转变形，不 利非结构构件如填充墙、幕墙正常工作，结构成本 较大增加。

结构的均匀性 

主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度接近、变形特 性接近； 主体抗侧力结构沿竖向断面、构成变化比较均匀， 尽量减少突变。

主要体现—层刚度尽量减少突变， 层刚度突变（增大或减小过大），容易应力集中， 一般伴随抗剪承载力突变，引起薄弱层出现； 主体抗侧力结构平面布置，同一主轴方向各片抗侧 力结构刚度均匀，避免设置某一、两片刚度特别大 而延性较差的结构，如长窄的实体剪力墙。

个别构件刚度巨大，容易应力集中，首先破坏，从 而形成逐个击破，无法发挥整体结构的协调工作。尽量做到中央核心与周边结构刚度协调均匀，保证 主体结构具有较好扭转刚度，避免扭转变形过大， 有利于控制扭转周期比、扭转位移比。 如剪力墙结构中剪力墙尽量周边、均匀布置，结构 中部剪力墙满足重力荷载要求。

荷载的传力直接重力荷载的传力直接

传力路径：荷载（集中、线、面）通过楼盖的板、 梁，将重力荷载传至竖向构件墙、柱，后由竖向构 件传至基础，再由基础传至地基。

楼屋盖结构布置应尽量使重力荷载以最短路径传至 竖向构件墙、柱； 竖向构件的布置应尽量使其在重力荷载作用下压应 力水平接近均匀，减少竖向构件之间的压应力二次 转移。

如核心筒墙肢压应力水平差异较大，重力荷 载作用下连梁有较大的内力，墙肢通过连梁进行压 应力二次传递，应避免；转换结构的布置，应尽量使上部结构竖向构件传来 的重力荷载通过转换层一次至多二次转换，能传递 到下部结构的竖向构件。

水平荷载的传力直接

抗侧力结构体系明确、传力直接，抗侧力结构一般 由框架、剪力墙、筒体、支撑等组成，宜尽量贯通 连续，尽量减少变化，尽量变化缓慢均匀； 高层建筑结构本质为三维空间结构，应使各部分抗 侧力结构都能有效参与抗侧工作。楼屋盖起到协调 各抗侧力结构工作，应使其具有足够刚度、承载力 及整体性；  非结构构件的填充墙采用轻质材料，采用柔性连接。 避免有一定刚度的填充墙刚性连接使主体结构传力 不明确、不直接。

结构的合理刚度 楼盖结构合理的刚度

楼盖结构梁板截面尺寸合理、布置适当；  主体抗侧力结构的合理刚度 主体抗侧力结构刚度满足规范规定的水平位移、整 体稳定、结构延性的要求，保证结构正常工作，同 时结构刚度不宜过大； 结构抗侧刚度过大，地震作用增大，基础负担增大， 结构构件截面及构造配筋增加较大；结构构件占用 面积、空间加大，降低建筑使用率； 合理的结构抗侧力刚度应以满足和略大于规范限值 即可，建议按大于规范限值10%控制。

小结：高层建筑结构设计核心指导思想——均匀性，即质 量均匀、刚度均匀、受力均匀、承载力均匀，整体 结构共同工作。

高层建筑结构设计方法及主要设计指标

高层建筑结构设计方法 高层建筑结构设计方法 —重力荷载入手，水平荷载复 核。 重力荷载入手—根据重力荷载确定结构构件初始截 面，结构整体抗侧刚度也初步建立； 水平荷载复核—在水平荷载风及地震作用下，复核 重力荷载作用下确定的初始结构，在满足结构稳定、 承载力及变形条件下，对初始结构进行优化调整。

傅总的《实用高层建 筑结构设计》第3章给出 了一般的高层建筑结构 实用有效的设计方法、 步骤。 ? 右图的设计框图里面， 简化（手算）计算部分， 实际工作中建议采用电 算代替，但设计中应掌 握基本的手算技能，学 会对电算结果进行分析 和评价，切勿盲从软件。

主要设计指标 重力荷载及质量

结构自重占总重力荷载比一般在60%~80%，设计 中应扣除梁（墙）板重叠、梁柱重叠的部分自重； 钢筋混凝土容重25Kn/m3 ,钢材78.5Kn/m3；常用的 使用活荷载及其折减详《荷规》； 结构质量（重力荷载代表值）来源于重力荷载，为 结构恒载及考虑折减的活荷载，一般为1.0恒+0.5活。

常用结构体系单位重量如下，100m以上的高层建筑 取上限，200m以上的框筒结构宜在下表基础上放大 1.1倍。 

层间位移角

主要设计指标—几个常用的“比”

高宽比

长宽比：6、7度≤6.0， 8、9度≤5.0

质量比：上下层比值≤1.5

周期比：A级，0.9；B级，0.85

位移比：A级，不宜≥1.2，不应≥1.5 B级，不宜≥1.2，不应≥1.4

楼层侧向刚度比： 框架：剪切变形为主， 侧向刚度=层剪力/层间侧移 本层与上层比≥0.7， 本层与上部三层平均值比≥0.8 框剪、框筒等：弯剪变形为主， 侧向刚度=层剪力/层间侧移角 本层与上层比≥0.9 ≥1.1（1.5倍层高比以上） ≥1.5（嵌固端）

楼层受剪承载力比：A级，本层与上层不宜≤80%， 不应≤ 65% B级，本层与上层不应≤75%， ? 剪重比：本层剪重比=地震作用层剪力（标准值） /本层及以上层重力代表值 须满足最小剪重比要求，如下：

推荐学习资料

1、《实用高层建筑结构设计》，傅学怡著

2、《高层建筑结构分析与设计》，陈瑜、龚炳年校译

３、《结构概念与体系》，林同炎著