高层建筑结构研究（3篇）范文

第一篇：带转换层高层建筑结构设计策略

摘要：

本文首先对几种最常见的转换层做简要概述并分析了其工作原理，接着分析了转换层在高层建筑中应用时应具备怎样的布局和构造原理，接着对其抗震性能和合理性进行了分析，最后对一些新型转换层的设计进行了探究。

关键词：

高层建筑；转换层；抗震性；结构设计

随着城市化脚步的加快，高层建筑对于城市来说早已是屡见不鲜。对高层建筑设计转换层更是当下必不可少的一项任务及要求，转换层能更好的让高层建筑发挥其优点和作用，方便了我们的生活。但由于其结构的限制，抗震性能的强弱决定了整栋楼层的安全，因此，对转换层的要求便更加严格。

1转换层的几种基本类型和构造原理

1．1梁式转换层

转换层楼板上层构造的剪力要传送给下层构造，在本身承担一部分压力的同时还要承担上部压力。因此对梁式转换层的设计构造要求十分严格。梁式转换层的构造优点十分突出，例如它的结构十分简单，对于力的传导和传输目的十分直接和明了，在大部分的高层建筑中都能被采用。

1．2箱式转换层

当某一层楼板的硬度条件与估算值存在偏差时，就要求在转换层的上下各安装一层楼板，从而增加楼层在受到力的作用下而不易发生形变，安装后就会上下形成一个箱式构造。采用箱式转换层的好处是转换层的受力导力平均，且转换层在受力时抵抗弹性形变的能力大大增强，但是在实际操作时，箱式转换层不仅花费大而且不易操作施工［1］。

2转换层在高层建筑应用及设计构造

转换层在高层建筑的应用极其广泛，只要根据楼层的需要进行设计即可，但设计的同时也要考虑种种因素，如建筑地区的选择，一些高层建筑选择在土壤比较稀松的地区施工，本身就不利于楼房的自身需求而使得楼房易下陷，而有的楼房较高，如果单纯的使用转换层则不利于对地震的需求，因此对转换层的使用应具备以下几点要求：

（1）转换层的设计要有一定的韧性，在承受一定压力的情况下不易发生形变。

（2）应尽可能的在构造中不使用纵向构件。

（3）在构造时要使顶底两层的刚度比控制在1和2之间，使纵向受压时形变量不受过大影响。

（4）尽可能将转换层上部的剪力墙和柱子保持一一对应。

（5）转换层在选择位置上要尽可能靠近建筑物底部的适当位置，如果建筑物特别高要求转换层设置也要高时就尽可能的让转换层的纵向位置降低并增加一定的刚度，如果设计不达标则地震来临时便会对整个建筑物的安全带来严重的威胁。

（6）使支剪力墙与落地剪力墙的比值保持在相关要求内。

（7）要系统精确地分析转换层结构，将其和整栋楼房进行统一换算分析，并进行模拟实验以及抗震测试，最大化的提高其安全系数［2］。

3抗震性能的分析

随着转换层位置的不断提高，对于其抗震性能的要求也不断提升，影响其抗震性能的因素也有很多种类，像转换层的位置设置、转换层顶部与底部对压力变形的韧性，转换层侧面的刚度等。因此我们在对转换层进行结构分析和设计构造时应考虑这些因素。根据《高规》内容的明确规定，对于一些框支剪力墙结构的转换层，设置在三层及以上时，在剪力墙和支柱底端应加强抗震系数，使其增加一级抗震系数，本身为特一级时则不必增加。

4转换层的几种最新构造

4．1搭接柱转换型

其设计的主要准则是利用转换柱来实行转换，这样做的好处就是在构造时使用的原材料较少，而且它的自身重量比较轻，对建筑的剩余空间资源可以得到充分利用，而且对压力的形变程度也比较小。但有一点值得关注的是柱子上面的楼盖应该使用高承受力的物质材料进行加固。搭接柱转换型之所以在安全和稳定性上优于其他转换型结构的原因在于它连接楼盖的承受力和纵向伸缩度的完美控制。使得搭接柱受内力的影响大大衰减。在搭接柱形式的转换层中，最主要的重心便是筒体对侧力的抵抗能力。所以对于筒体的承受力，伸缩性和横截面的尺寸要做到足够精细。就要求受力能从搭接柱伸缩到上一层，当筒体的构造材质发生变化时，不会影响塔柱因受力而产生变形，从而使高层建筑的抗震性不衰减。另外我们也可以运用SATWE、PMSAP这样的软件对搭接柱转换构造的性能进行测算解析，更方便快速的解决了人力测算带来的误差。

4．2其他新型转换结构

除了上面的搭接柱转换型，还有两种基本形式的转换结构，宽扁梁转换结构和斜撑转换结构，这两种结构都有其各自优点，对于前者来说，该转换型适应于各种建筑物类型，对转换层的高低影响重大并且有利于建筑物机械设备的使用，大大减少了资金成本，对建筑物造型设计上有一定的辅助功能。后者则使高层建筑受力均匀，力的传导比较明确，缓冲机械变形上有更好地抗震效果［3］。

5基于高层建筑转换层构造的建议

面对当前形势，许多建筑工程师就高层建筑的转换层的抗震效果、对高层建筑自身受力等多种情况进行了一些有价值的研究，这样就为设计构造者对高层建筑物的转换构造带来了理论依据，使得一些建筑避免了成为烂尾工程的牺牲品。据此，针对高层建筑转换层的设计构造提出了以下几点建议：

其一，转换层的高度问题应该进行全面系统地分析测试，转换层高度大，会使转换层的地震反应力加大，但对其它楼层的反应较小，对地基的承受能力是一大考验，所以应该使转换层的高度设计在允许抗震等级以内。

其二，转换层自身高度越大，其自身结构受地震影响其波动幅度越大，靠近转换层的几层受转换层的影响其波动幅度也有所加强，因此，转换层的转换梁不应太高。

其三，转换层设置越高对楼层的变形程度影响越大，转换层的高度越靠上，对楼层的伸缩性要求增加，各个楼层间的可伸缩性减小，各楼层间的位移量变小，加大了构造的扭转时间，对建筑物本身的结构造成一定的影响，因此，转换层的高度不应设置太高。其四，刚度比的不同会对抗震性能产生一定的影响，同时对第一次低阶振型周期产生巨大影响，而对横向方向的构造在能检测出的地震影响较小。因此，我们应该使用各类方法使结构刚度比达到黄金比值。

6结语

由于当今社会的建筑类型大不相同，为了建筑需求所要实现的效果和功能也不尽相同，因此在设计转换层时应考虑到各个高楼的现场具体情况，为可能发生的各类突发状况做好必要的应急措施。转换层所在的高楼受力复杂，对自然界的不可抗拒的因素也要考虑在内，如地震，台风，海啸等。

参考文献：

［1］王绍君．带转换层高层建筑结构设计建议［J］．门窗，2014，01：380．

［2］闫微微．带转换层的高层建筑结构设计［J］．科技与企业，2013，06：215．

［3］梁兴泉．高层转换结构的设计［J］．山西建筑，2016，02：29－31．

作者:廖晓雄 单位:中国建筑西南设计研究院有限公司

第二篇：高层建筑结构弹塑性研究

摘要:

近年来，我国城市化迅猛发展，为满足城市发展及人口增长的需要，高层建筑应运而生。高层建筑解决了城市发展中的一部分土地及人口问题。但是由于高层建筑结构较为复杂，对其进行弹塑性分析十分必要，能够了解建筑结构的抗震性能，确保高层建筑结构的安全，为城市化的发展提供坚实的基础。

关键词:

高层建筑结构；弹塑性分析；模型；应用

改革开放以来，我国的城市化进程不断加快，城市的高层建筑工程也越来越多，居世界之前列。在高层建筑不断发展的同时，高层建筑结构抗震设计也引起广泛的关注与研究。当高层建筑物在经历中级地震或大型地震的时候，其结构必然要进入弹塑性，对建筑结构的安全有着重要的影响，因此对高层建筑的弹塑性分析在建造高层建筑时需要对其进行深入分析，来保证高层建筑结构能够达到塑性的标准要求。但是在实际工作中对高层建筑结构的弹塑性分析并非易事，其需要借助大量的复杂的计算才能得到较为正确的分析结果。针对于高层建筑结构弹塑性的分析工作，国内外已取得一些成就并开发出了一些相关的软件，但在使用的过程当中，大部分的软件都没有到达预想的效果。弹塑性分析方法分为静力弹塑性分析法和动力弹塑性时程分析法是对高层结构进行非线性阶段抗震的两种主要方法，我国高层建筑结构弹塑性分析也采取此两种方法。

1影响建筑结构弹塑性因素

当发生地震时，如果高层建筑结构一直停留在弹性状态下，那么此时的建筑材料在符合虎克定律(固体材料受力之后，材料中的应力与应变之间成线性关系)条件下的反应叫做弹性地震反应;反之，当地震的威力较大的情况下，建筑结构就会进入弹塑性，此时的建筑材料在不符合虎克定律，建筑结构就会引起弹塑性反应［1］。弹性地震反应与弹塑性反应之间有着很大的不同，现将两者之间的不同表述如下。图1弹性体系下的位移与力之间的关系

1．1两者的结构刚度和阻尼不同

弹性地震反应借助于刚度矩阵，也叫做常量矩阵，要依靠相对应的积分来逐步完成相应的计算。而在弹塑性地震反应过程中，位移与力的不仅仅是线性的规律，在使用双线性恢复力模型的时候只有当位移同时处在相同的直线段的时候，刚度矩阵才能够满足于常量，反之当两个位移不在同一条直线上，刚度矩阵就会产生影响，刚度矩阵构

1．2弹塑性反应的特殊性

弹性地震反应与弹塑性反应虽然有着很大的不同，但是在某些特殊的情况下，两者可以等同。在地震的强度并非非常强烈，作用力不大的情况下，而此时的结构屈服强度也超过了一定的限度的时候，地震的作用对于高层建筑结构的弹性造成的影响不明显的情况下，振动范围就如图2所示。在图2中，AD线段内的整个区域都属于内振动，而在这个范围内，由弹性地震反应求得的解将会与弹塑性地震反应所求得的解相同，在这种情况下，弹性地震反应可以等同于弹塑性反应。

1．3位移反应与地震力之间的关系

在正常的状态下，地震作用的强度和弹性变形程度成正比，也就是说，地震的强度越大，弹性变形也就会越大，而且弹性的变形无限制，随着地震的强度不断的变形。与弹性变形不同的是，弹塑性变形的不是无限制的，如果地震的力度已达到让结构屈服的程度，弹塑性变形的增长就会越来越慢，并且在达到一定程度的同时就不会再增长，但是弹塑性变形能力的不再增长不会影响结构变形的持续。对于塑性体系与弹性体系的分析比较不能简单的进行概括，在结构、地震力影响相同的情况下，我们无法正确的区分出塑性地震反应与弹塑性反应。在图2中的AD线段我们可以看出，由于塑性变形本身没有地震力减小得快的特殊性，在地震力变小下，会出现塑性变形的能力加强的情况。

1．4结构强度与延性高层建筑结构的屈服强度与高层建筑结构进入塑性状态有着一定的关系，一般而言，屈服强度提升，塑性状态越晚。因为借助于此，可以通过提升强度来达到提高抗震能力。

2高层建筑结构弹塑性分析的结构模型

2．1层模型层

模型的原理主要是将层静力在特定的方法之下当做弹簧串，在对层模型进行一定的分析。对层静力的特性计算和对动力时程响应计算是分析层模型过程当中需要进行的两大计算。对于层静力特性计算通常使用增量法和能量方两种方式，对动力时程响应的计算建立在质量、串联弹簧模型的基础上［2］。

2．2平面模型

平面模型可以在高层建筑结构的刚度分布均匀的情况下使用，因为在这种情况下，建筑的几何就会比较的规则，结构之间的影响则不会太多，反之，不规则的几何布置使得结构之间的影响增大。

2．3空间模型

空间模式在高层建筑结构弹塑性分析中能够进行精确的分析，因为该模型可以将建筑结构的整体进行分析。在强调整体、精度的同时，空间模型也具有自身的缺点，由于复杂的整体分析，使得空间模型分析的计算量较大，对应的时间也较长。

3高层建筑结构弹塑性分析方法的具体应用

3．1空间计算模型的具体应用

在上述高层建筑结构弹塑性分析的结构模型中指出空间模型有着高度的精确性，但是其本身所运用的计算及时间加大，因而限制其的运用。但随着科技的迅猛发展，尤其是计算机技术和计算数值技术的快速发展，在高层建筑结构弹塑性分析工作中也大量的使用相关技术。传统的层模型和平面模型由于自身的一些缺点已被逐渐的淘汰，越来越大的工程人员都选择使用空间模型来进行高层建筑结构弹塑性分析，在使用空间模型的同时，伴随图形分析技术的发展，使得在工程设计的时候工程模型能够更加的逼真与形象，在缩短模型分析时间与减轻计算复杂性的同时，也不断的提高了高层建筑结构弹塑性的精确度、提升了弹塑性分析的效率。

3．2计算程序的选用

计算机分析软件的选用对于高层建筑结构弹塑性分析有着重要的作用，不理想的计算机分析软件不仅会浪费大量的时间进行分析而且得出的分析结果也并非准确。因此要正确地进行高层建筑结构的弹塑性分析，保证分析的高效顺利完成，就必须要选择合适的计算机分析软件。对于高层建筑结构弹塑性分析，目前我国主要采用三种计算机软件:第一种是ABAQUS三维有限元弹塑性分析程序，此款软件在高层建筑结构弹塑性分析中的运用最为广泛，得益于其优异的分析能力以及二次开发能力。线性与非线性的静力弹塑性分析法和动力弹塑性时程分析都可以运用ABAQUS三维有限元弹塑性分析程序;第二种是SAP2000三维有限元弹塑性分析程序，强大的分析能力使得SAP2000三维有限元弹塑性分析程序的运用也十分广泛，在日常当中遇到的方法，如时程分析、地震动输入、动力分析以及Push－over分析等，ABAQUS三维有限元弹塑性分析程序基本上都具有，强大的分析与处理能力让SAP2000三维有限元弹塑性分析程序在工程领域得到大量运用;第三种是MIDAS系列三维有限元弹塑性分析程序。简单易操作、上手快等特点也让MIDAS系列三维有限元弹塑性分析程序在高层建筑结构弹塑性分析中得到认可。此外空间弹塑性分析程序SCM－3D，AN－SYS，Algor，Cosmos/M等大型微机有限元分析程序，三维结构弹塑性地震反应分析程序DRAIN－3D等都可以用于高层建筑结构弹塑性分析［3］。

4结语

综上所述，高层建筑弹塑性分析是一项十分复杂的工程，影响的因素也比较多。这就要求设计人员在建造高层建筑结构时要高度重视弹塑性分析，不断运用现代科技手段，确保分析结果的高效与准确。

参考文献：

［1］汪梦甫，周锡元．高层建筑结构抗震弹塑性分析方法及抗震性能评估的研究［J］．土木工程学报，2003(11)．

［2］王鑫，聂桂兰．静力与动力弹塑性分析在超限高层建筑结构抗震设计中的应用［J］．中国西部科技，2009(23)．

［3］杨旭东，娄蕙．高层建筑结构弹塑性分析方法的应用探讨［J］．绍兴文理学院学报，2003(9)．

作者:刘强 邬鑫琼 单位:深圳市筑道建筑工程设计有限公司南昌分公司

第三篇：高层建筑结构设计不规则性应用分析

摘要：

针对高层建筑体的结构设计，具体方法是有多种的，在不断要求提高建筑结构功能性与美观性的背景下，不规则设计方法逐渐得到广泛应用。在建筑工程的不规则设计中，尤其需要注意对建筑设计要点的把握，从而保证结构质量，本文即重点探讨了建筑结构的不规则设计，以供参考。

关键词：

高层建筑；结构设计；不规则性

1引言

在进行高层建筑设计的过程中，采用不规则性设计不仅能够提供良好的视觉效果，还可以给建筑整体的安全性、稳定性带来良性影响，因此，在设计高层建筑结构时，需要高度重视不规则设计方法的合理运用，以确保设计成果能够符合建筑结构设计的预期效果，并发挥其优良性能。

2高层建筑结构设计不规则概述

在进行高层建筑物的建设的时候，必须要充分考虑高层建筑物的选址地点、选址环境以及当地的大气环境等因素，进行合理的设计调整，以确保高层建筑的稳定性。调整过程中不仅要重视高层建筑施工进度的控制，更重要的是要在建筑物构造的设计方面，采取科学合理的调整措施，以满足高层建筑物投入实际运用后，各种功能方面的要求，而这些调整本身也往往存在不规则性。通过这种不规则的结构调整，能够有效改变整个建筑物的受力情况和整体作用力状况，最终实现建筑结构的最安全设计方案。同时，建筑的结构上的不规则性还可能体现在建筑外观上的不规则，现代的不规则建筑能够改变传统的和谐对称设计方式，将美观、大胆作为建筑的主线，使建筑成为社会上的一道风景线。

3高层建筑结构设计不规则性的表现

3.1建筑平面的不对称

3.1.1平面布局不规则

在平面不规则类型中，主要分扭转不规则、凹凸不规则和楼板局部不连续，具体如下：

①扭转不规则（见图1），主要体现为将每层楼的最大弹性水平移动值设计为该栋楼楼层两端水平移平均值的1.2倍，或者将最大层间移位设计为该楼层两端层间移位平均值的1.2倍；

②凹凸不规则，即是以建筑结构面凹进的一侧尺寸，设计为大于实际投影方向上总尺寸的30%为标准；

③楼板局部不规则则主要以楼板尺寸与平面刚度所发生的急剧变化作为判断标准。

3.1.2质量、刚度与强度的不规则

（1）质量不对称传统建筑的质量对称，并非代表的是绝对对称，而主要是指建筑物各个结构中的小的质量元素存在的一种相对结构对称。为适应建筑物的实际地质环境限制等问题，国家规定，质量偏移需要在一定的范围内进行，这样一来，偏离能够减少一个位置或一个点所承受的作用力。高层建筑为了能够解决地面不平、地质松动等环境缺陷，则可以利用质量上的不对称方法，或者通过设计建筑物进行质量不对称性，来增加整个建筑的抗震能力。例如将质量的重心尽量的设计成垂直于地震的作用力方向，就能够在很大程度上缓解地震强度，形成一个力的缓冲，从而减少了地震对于高层建筑的作用，起到抗震的作用。

（2）刚度不对称高层建筑物当中的外部荷载，主要指的是整个建筑物所承受的压力。这种压力通常分为外压力和内压力两种。外部的压力主要就表现为与建筑物负载重量相垂直的压力，而内部的压力则是表现为与建筑物所负载压力方向一致的力。建筑物的刚度出现不对称的主要原因在于实际施工过程中面临着众多的客观问题，所以，要采取相应的改变措施，改变建筑的刚度，设计好建筑物的不对称性，使得高层建筑更为稳定。

（3）强度不对称在建筑施工中，利用钢筋水泥以及混凝土等建材能够充分体现出建筑的强度，但设计建筑时，难以完全的确保所使用的钢筋、水泥以及混凝土这些建材的配比平均性，所以，就容易导致简述平面的强度出现不对称的问题。工程施工时，常会出现各种不确定的问题，严重影响建筑平面上刚度的对称性，并且在平面的强度或者平面的质量不够对称这两种情况中，最难以避免的是强度的不对称问题，而强度的不对称又会影响到建筑物的规则性。尽管平面上存在的不对称问题会对建筑的实际抵抗能力产生影响，但分析了实际情况后，发现如果在设计阶段就考虑到该因素，即可刻意采取合理的强度不对称设计，从而缓解强度不规则问题。

3.2竖向不规则性

高层建筑的竖向不规则主要分为以下几种：①对侧向刚度的不规则进行判断时，要确保楼层侧向的刚度值比其相邻上一楼层的70%要小，或者比该楼层以上相邻的三个楼层侧向刚度平均值的80%要小，除掉顶层外的楼层布局收进的水平向尺度大于与其相邻下一层的25%；②竖向抗侧力不规则，是以竖直方向上的抗侧力产生的内力通过水平的转换构建而向下传递为依据；③楼层间质量突变，以楼层质量大于相邻的下一楼层质量的1.5倍为判断标准；④楼层承载力突变，指的是相邻楼层结构在接受外部应力作用的条件下，承载剪应力表现不同结构现象，楼层承载力突变的评定标准为，评定目标楼层在检测过中剪应力承载水平波动变化超过80%水平。

4高层建筑结构设计中不规则性应用实例分析

4.1工程概述

某工程建筑面积11457.3m2，共21层，建筑物总高度66.12m，地下1～3层是商业广场，层高3.6m，以上楼层为住宅区、层高3m。工程采用框架一剪力墙结构设计，由于本工程属于平面不规则，竖向不规则建筑，合理的剪力墙布置既能够提高建筑的抗扭性能，又能增强建筑结构的整体稳定性，同时需要对建筑结构设计中的薄弱环节采取抗震加强措施，本工程1～3层结构平面和4层及以上结构平面如图2所示。

4.2结构不规则设计的具体措施

4.2.1合理控制偏心距

高层建筑结构设计中，为合理控制不规则性影响，应当采取以下措施控制偏心距：①设计人员应结合建筑结构设计的实际情况，对结构内在不规则性进行深入的研究分析，依据计算结果准确掌握建筑结构的质心、刚心情况，从而为后续设计工作的进行打下基础；②需要通过相关数据以及实践经验比较准确的判断建筑结构的刚度分布；③适当的增减距质心较远的抗侧力构件。经过计算，本工程的X向和Y向的质量中心和刚度中心分距离别为0.01～0.07m、0.05～0.37m，对应的建筑物边长分别为0.27%、1.50%。

4.2.2提高抗震性能

由于此建筑的上下层之间具有的使用功能存在差异，所以，4层以上的平面结构部分收进l1.1m，收进后的平面宽度为12.7m。在此设计中，为提高薄弱部位的抗扭性能，竖向体型突变部位楼面板厚度设计为180mm，钢筋设计采用双层双向通长设计，配筋率大于0.30%，同时本工程在4～21层民用建筑的设计中平面凸出长度为11.3m，加强凸出位置的楼板厚度和配筋率。

4.2.3抗扭薄弱环节的设计

该工程采用了转角窗的设计，因而削弱了建筑结构的抗扭性能，属于薄弱环节设计，容易出现结构的局部破坏现象。在设计中，应当在转角窗的两侧设置剪力墙，用以加强楼板板筋的配置率，并在洞口边缘的端柱之间设置暗梁，提高抗扭性能。当地震多发时，结构薄弱层的剪力值设计乘以最大系数，相邻的两层之间的框架柱与剪力墙的尺寸面积相等，所使用的混凝土等级液相同。为了能够进一步减少结构的扭转效应，则布置剪力墙要确保均匀对称，同时提高周边剪力墙的抗侧刚度。

4.2.4抗震的性能化设计

本工程在中震不屈服的设计中，为了提高建筑结构的塑性耗能能力，估计地震影响系数取最大值0.45，为了保证结构安全，设计采用弹性时程分析法补充计算，内置特征周期为0.45s，地震加速度是程曲线最大为70cm/s2，加速度依照最大1：0.85取值。

4.3不规则设计的计算分析

现阶段，设计高层建筑结构时，使用的计算程序以及计算分析的方式都是相同的假定的方式，且都是假定平面内刚度无限大、楼板在平面内不出出现变形的情况，尽管，此类假设对于大部分工程而言具有较高的可行性，但如果楼板出现较大的凹入时，且有较大的开洞时，楼板的平面就会发生变形，此时，此假设则不成立，无法适用，使用的计算方法以及程序则需要对楼板变形的影响进行充分的考虑。

5结语

在现代工程建设中，高层建筑的不规则性逐渐成为时代潮流，如何完善建筑的不规则设计，保证不规则结构稳定性与安全性，必须针对结构的薄弱环节采取合理的设计措施，在实际建设施工中，结合工程实际情况进行合理改进，引入新技术、新概念，减少设计的不利因素，从而在保证建筑美观的同时，确保建筑质量。

参考文献：

[1]林志强.对建筑工程不规则幕墙施工技术的分析[J].民营科技，2014（9）：171.

[2]白云飞，周东兰，杨铮.论高层建筑平面不规则结构设计[J].城市建筑，2014（6）：68~69

[3]崔楷亮.浅论建筑不规则性对结构设计的影响[J].工业B，2015（40）：46~47.

作者:邓兵 单位:湖南方圆建筑工程设计有限公司