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高層建筑結構設計特點分析

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高層建筑結構設計特點分析

【摘要】我國經濟快速發展加快了建筑市場的發展,由于高層建筑的功能十分強大,且外形較為美觀,獲得了廣泛的關注,但其結構十分復雜,高層建筑施工技術也較難,使得結構的設計備受關注,高層建筑的結構形式很多,且較為復雜,設計人員在對高層建筑進行結構設計時,必須與工程實際情況統一,只有這樣才可以在最大程度上滿足使用需求并符合國家各項相關規定。本文從高層建筑結構設計的特點出發,對其結構的體系及其設計中的要點問題進行研究,希望可以為今后的設計工作提供幫助。

【關鍵詞】高層建筑;體系;結構設計;抗震;概念設計

引言

高層建筑的快速發展,可以有效降低市政在城市用地方面的投資,給城市建設緩解了不少的壓力,同時高層建筑也為建筑企業帶來了良好的經濟效益和社會效益,由于高層建筑相對傳統低矮建筑的種種優點和優勢,其已經成為廣大人們群眾最受歡迎的建筑。現筆者將多年的高層建筑結構設計實際經驗以及一些心得總結下來,供大家參考。

1高層建筑結構設計特點分析

和多層結構設計相比,高層建筑的結構設計的地位更加重要,所要考慮的問題也更加廣泛,不同的結構體系,對建筑物平面布置、型體、高度、施工工藝、工期和成本等的要求均不一樣。現就高層建筑結構設計的特點進行分析如下:

1.1將水平力作為設計的重點

對于多層建筑結構,通常是將豎向載荷作為設計控制重點,一般只要滿足了豎向承載力方面的要求,整個結構的安全性就基本有了保障。而對于高層建筑,雖然豎向載荷仍然對其結構的設計存在重要的影響,但是隨著建筑高度的增加,水平力的作用所占的比重會急速增加,直至對整個建筑結構設計起控制作用。因為建筑本身重力和樓面活荷載對豎向結構構件引起的彎矩和軸力數值,只和建筑物高度一次方值成正比,但水平載荷對于結構造成的傾覆作用和對豎向結構構件引起的軸向力作用,卻與建筑物高度兩次方值成正比。筆者在大量設計實踐中,通過對計算結果的比較發現,對于高層建筑豎向構件,往往在計算軸壓比結果相較于結構規范尚有較大富余的情況下,結構的水平位移控制參數才剛剛滿足規范要求,從這一點我們不難看出水平力的作用對整個結構的影響。

1.2將側移作為控制的主要指標

和多層的建筑有所區別,結構的側移是高層建筑結構設計的一大控制指標。隨建筑物高度增加,在水平力作用下的結構側向變形快速增大。此外,隨著整個建筑體量的加大,對結構材料的要求也會不斷提高,因此,在結構設計過程中不但要求強度,還要求抗推剛度,要將在水平力作用下結構產生的側移量控制在一定限度內。

1.3抗震設計(結構延性)要求更高

在地震作用下,高層建筑的安全性低于多層建筑,其變形會更加嚴重。這就需要在高層建筑設計過程中,需要確保承載力和剛度要自下而上的減小,確保其變化的均勻性。通過合理對樓體結構中塑性集中變形進行設計,確保樓層建筑延能夠增強,從而更好的提升建筑物的變形能力。同時,還需要在設計時考慮建筑的結構規則性對抗震性能的影響,避免出現嚴重不規則的結構布置(如規范中規定的,周期比、位移比、剪重比等重要參數)。另外,在抗震設計中,尚應考慮構件的破壞次序,如:強減弱彎,墻柱弱梁等要求。

1.4盡量減輕高層建筑自重比

在建筑結構設計上,對于減少高層建筑的自重比要比多層建筑的自重比減輕具有更直接的影響。高層建筑如果自身的自重減輕了,可以大大減少地震作用效應,這樣一來,不僅可以使水平作用更容易控制,同時還可以多爭取到更多的經濟效益。

1.5注意結構軸向變形

對于框架結構及框架剪力墻結構體系的高層建筑,結構框架的中柱軸壓力通常比邊柱軸壓力大,中柱軸向變形比邊柱軸向變形大。若建筑很高,該種軸向壓縮變形差異更大,其產生的后果是連續梁的中支座發生沉陷,進而使得連續梁的中支座處負彎矩降低,端支座負彎矩和跨中的正彎矩增大。

1.6概念設計和理論計算同等重要

建筑抗震的設計包括計算及概念設計兩個部分。對于高層建筑結構抗震設計的計算,其要在規定的假想狀態下進行,即使分析原則不斷完善,分析手段有所提高,但是因為地震力的不確定性和復雜性,建筑地基土的復雜影響及結構自身體系復雜性,致使理論上的分析和計算與實際相差較大,特別是在結構受力進入到彈塑性時期后,構件會發生局部開裂乃至破壞的情況,這時的結構很難再用常規計算原理和方法分析和計算,這就需要從概念以及構造上予以解決這些問題。實踐證明,在結構設計中一個好的概念設計,是整個結構設計是否成功的關鍵,同時也最能體現一個結構師的功底。

2高層建筑結構設計心得

2.1建筑的體型控制高層建筑的體型控制

包括豎向體型的控制和平面形狀的控制。對于高層建筑來說,豎向高寬比越大,建筑整體剛度越難控制,建筑物越容易發生整體傾覆,因此,在整個設計的方案階段,就應該在高寬比上進行嚴格的控制,不能超過規范允許值。同時,建筑豎向突出、收進以及層高的變化不宜過快過多,因為這方面的變化會導致結構豎向剛度的變化,而結構豎向剛度的突變是對抗震極為不利的(圖1~2)。建筑物的平面布局則直接影響到結構的扭轉規則性,不規則的結構,在地震力作用產生的作用效應相較于規則結構更加明顯,更容易破壞,在結構設計中應盡量將結構構件布置的均勻、對稱,還應積極與建筑專業進行溝通,調整一些對結構不利的建筑布置,同時,在建筑使用功能允許的情況下,還可以設置結構縫,將整個結構分隔成幾個獨立規則的結構單元。

2.2選擇合理的結構體系

合理的結構方案必須滿足高層建筑設計的安全要求和使用要求,并盡量經濟合理,以最少的花費獲得最佳的結構設計方案。受力明確、傳力簡單是結構體系的基本要求,在相同的結構單元中,應該選擇相同的結構體系。選擇合理的結構方案的時候,需要分析場地條件、工程設計需求、施工條件、施工材料等等,在對這些指標進行綜合分析的基礎上進行結構選擇,以確定最佳的結構方案。如:對于住宅建筑,我們一般選用剪力墻結構,剪力墻厚度取為與填充墻厚度一致,這樣就可以保證在房間里面不會有結構構件突出,方便使用,同時,剪力墻結構抗側剛度極大,對側移控制相對容易,能更好的實現住宅的高層化;而對于高層辦公建筑,考慮到使用上對建筑空間靈活性的要求,一般選用框架—剪力墻結構體系,這種結構體系由框架柱和剪力墻共同承擔水平力作用,剪力墻的布置較之純剪力墻結構要少,更容易實現建筑使用空間的擴大化,從而為空間布局的靈活性創造了條件。

2.3注重結構布置對設計經濟性的影響

在結構設計中,實現其經濟性的一個最根本的舉措,就是盡可能的發揮出結構構件的全部承載力,盡可能的減少傳力的中間途徑。以筆者經常接觸到的住宅剪力墻結構體系為例,設計時應盡可能減少剪力墻的布置,以大開間剪力墻布置方案為目標,同時單片剪力墻長度一般以剛好滿足一般剪力墻長度要求即可,因為單片剪力墻構件截面積和剛度都比較大,只有盡可能的擴大其受荷面積才有可能使其承載力充分的發揮出來,同時,豎向構件的減少亦能夠大大減輕結構自重,有效減小地震作用的輸入,對降低工程造價的作用非常明顯。對于水平結構構件,應在充分發揮板的承載力的前提下布置梁結構,盡量做到,傳力體系簡單直接。另外,還應盡可能的將結構布置得規則化,對稱化,這樣能有效減少結構的扭轉效應,減輕地震荷載對結構產生的不利效應,避免產生應力集中的現象,減輕結構負擔。

2.4高層建筑基礎設計的兩個問題

建筑基礎是上部結構賴以生存的關鍵,更是整個結構設計中的重中之重,相較于多層結構,高層結構的基礎除了能夠承載上部結構傳來的豎向力外,尚應能夠承擔水平作用產生的傾覆和滑移作用,而解決這一問題的關鍵就在于基礎的埋置深度上,打個比方:一根筷子插在沙地上,如果插的淺,風一吹就倒了,而如果插的夠深的話,風就很難把它吹倒了。所以,在基礎設計上,埋深是一項極重要的內容,在一般情況下是必須要保證的。如確實有困難,也應根據建筑高寬比對基底應力情況進行細致分析,在基底不出現零應力區或零應力區范圍不超過規范限值并有其它可靠抗滑移措施的前提下才可以適當減少;另一個問題是地基土以及基坑回填土對基礎的約束作用的問題,這個在規范上也有強制性的規定,因為在計算中,當我們把堪固端取在基礎頂面的時候,是要假設基礎頂面的位移為零的,如果達不到這個假設條件,上部計算結果就可能會存在問題,因此,在設計圖紙上,我們一定要特別提出基坑回填的要求,以滿足對基礎的約束要求。

3結語

高層建筑在當前城市發展過程中快速發展起來,有效的緩解了當前城市土地緊張的問題。高層建筑的結構設計對結構整體的剛度要求較普通建筑要高,由于層高所帶來的多種因素都要綜合考慮,是一個復雜且困難的問題,解決方案較多,通常應選擇經濟且最為安全可靠的結構體系來抵抗相關的水平力作用引起的各種變形,在設計高層建筑時要注意認真按照設計原則和規范,才能建造出優質的高層建筑。

參考文獻

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作者:周浩 單位:上海東方建筑設計研究院有限公司湖南分公司

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