高层建筑结构设计要点

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摘 要近些年,高层建筑得到了迅速发展,高层建筑的建设高度也在不断增加,因此高层建筑结构设计便成为了建筑设计工作中的重点与难点.本文探讨了高层建筑结构设计的要点,以供参考.

关 键 词高层建筑；结构设计；结构分析

中图分类号TU973文献标识码A文章编号1673-9671-(2012)071-0094-01

当前高层建筑结构设计工程师面临的一个首要问题就是怎样才能设计出安全、舒适、经济、美观,并能满足人们精神及物质生活要求的高层建筑.因此,对高层建筑结构设计要点的熟练掌握,是高层建筑结构设计人员的必备基本素质.笔者将多年从事高层建筑结构设计的经验做了一个总结,提出了高层建筑结构设计中一些需要注意的问题,并对高层建筑结构设计的体系作了分析,以供参考.

1高层建筑结构设计的特点分析

1.1水平荷载是高层建筑结构设计当中的决定因素

高层建筑所承受的楼面荷载及其自身重量于竖向构件当中的弯矩及轴力数值与高层建筑的实际高度成正比；高层建筑结构中倾覆力矩的产生与水平荷载相关,结构的轴力也由竖向构件所引起,倾覆力矩及轴力都与高层建筑本身的实际高度成正比；对于具有特定高度的建筑来说,竖向荷载在一般情况下是一个定值；而高层建筑结构中的水平荷载数值由结构动力的特性决定,随动力特性变化而变化,尤其是水平荷载当中的风荷载.

1.2轴向变形在高层建筑结构设计当中是不可忽视的因素

如高层建筑所承受的竖向荷载值较大,可引起柱中出现轴向变形的现象,且幅度较大,从而影响连续梁的弯矩,对连续梁中部的支座处负弯矩值产生了减小作用,而对端支座的负弯矩值及跨中正的弯矩值则是产生了增大作用.较大的竖向荷载值还会影响预制构件下料的长度；在这样的情况下,就需要以轴向变形作为依据的计算值,调整下料长度.此外,竖向荷载值对构件侧移及剪力产生的影响也不可忽视,因其与构件竖向的变形相比较考虑,会产生与不安全结果不相符合的现象.

1.3侧移是高层建筑结构设计中的控制指标

高层建筑与低矮的楼房不一样,高层建筑结构设计工作中,关键的影响因素为结构侧移；随建筑本身实际高度的增大,水平荷载之下的建筑结构侧移的变形会迅速增大.可以发现,在水平荷载的作用下,需要对结构侧移进行控制,使其保持在一定的限度之内.

1.4结构延性为高层建筑结构设计的重要指标

高层建筑的结构要比低矮楼房的结构更柔,在地震的作用下,出现的变形幅度会更大,减少了倒塌的现象.在高层建筑的构造方面可采取相应的措施,使之进入到塑性变形的阶段后,仍具有足够延性,保持较强变形能力.

2高层建筑结构设计体系分析

2.1剪力墙-框架体系的设计

在高层建筑结构中的框架体系刚度及强度均不能达到要求时,常常需要在高层建筑的平面内适当的位置,建立剪力墙以代替结构中的部分框架,将剪力墙-框架结构体系应用于结构设计当中[3].当建筑物承受来自水平方向的压力时,剪力墙及框架可以通过刚度足够强的连梁及楼板共同组成相互协同结构工作体系.在剪力墙-框架设计体系中,承受来自垂直方面荷载的主体为框架体系,水平剪力的承受主体为剪力墙；在剪力墙-框架体系中,位移曲线为弯剪型.结构侧向的刚度由于剪力墙的作用而增大,建筑在水平方向上的位移得以减小；框架所承受的水平方向上的剪力出现明显下降的趋势,竖向的内力分布变得均匀.

2.2剪力墙结构体系的设计

剪力墙结构体系是指由平面的剪力墙结构组成的建筑主体受力结构.在剪力墙结构体系当中,全部的水平力及垂直荷载由单片的剪力墙所承受.剪力墙结构体系是一种刚性的结构,位移曲线是一种弯曲型结构.剪力墙结构体系的刚度及强度均相对较高,具有一定延性,在传力时具有直接及均匀的优点,整体性好,且抗倒塌的能力较强,不失为一种优良的建筑结构体系,其可建的高度一般大于剪力墙-框架体系.

2.3筒体结构体系

筒体结构体系指的是以筒体作为抗侧力的构件建筑结构体系,筒体结构体系主要包括筒体-框架、单筒体、多束筒及筒中筒等其他多种形式.可将筒体分为空腹筒及实腹筒两个大类.筒体为空间受力的结构构件与三维竖向的结构单体,由曲面墙或平面墙围成；也可由窗裙梁、密排柱及开孔钢筋外墙等构成.筒体结构体系的强度及刚度均相对较高,在大空间、大跨度等特殊类型的高层建筑中被广泛应用

3高层建筑结构设计的基本假定分析

由剪力墙及简体框架组成了高层建筑主体结构,组成的方式为平楼板水平连接.因此,在三维空间中精确及完善的分析高层建筑结构设是存在难度的,特别是不同的实用分析方法,要引入不同程度的简化计算模型.以下四种假定是高层建筑结构设计中比较常见的计算模型.

3.1小变形基本假定

在一般情况下,小变形基本假定在高层建筑结构设计分析中被应用得最多.很多从几何方面入手的研究人员对P—△效应进行了详细研究,并得出以下注意事项：在建筑高度与顶点的水平位移的比值大于0.2%的情况下,需高度重视建筑结构受到P—△效应影响的程度.

3.2刚性楼板基本假定

在分析高层建筑结构设计时,存在的问题主要是过于注重平面内刚度,而忽视了平面外刚度.采用刚性楼板基本假定的分析法不仅能将结构的位移自由度减少,计算的方法简化,而且能为筒体结构空间薄壁的杆件理论创造良好的计算及使用条件.在一般的情况下,在剪力墙结构体系及框架结构体系当中运用刚性楼板基本假定是可行的.但是,就竖向刚度结构出现突变的情况而言,受到楼板变形的影响较大,如有些楼板的层数不多、刚度不大及抗侧力构件的间距过大等情况,尤其是结构底部及每层顶部内力的影响更为显著.对于以上问题,要采取一些适当的调整措施进行解决.

3.3弹性基本假定

目前,在高层建筑结构设计的分析方法当中,弹性基本假定

计算方法被运用的范围较广.尤其在垂直荷载的计算当中,因高层建筑结构长时间处于弹性的工作阶段,实际工作情况与弹性基本假设的情况相吻合.但如果遭到较严重的自然灾害,如较大强风及地震等,建筑结构会因较大的位移幅度而产生裂缝,从而进入到弹塑性的工作阶段.在这样的情况下,为了能使高层建筑结构状态得到真实的反应,只能在结构设计中运用弹塑性分析方法.

3.4计算图形基本假定

高层建筑结构设计中三维空间的分析方法主要为计算图形基本假定.二维协同分析没有将侧力构件中公共的节点在外位移纳入到分析的范围当中；侧力构件外的刚度及扭转刚度并没有受到高度重视.分析精通杆的三维空间中每一节点时,自由度只有六个,不足以完成分析,使用计算图形基本假定分析法,可以弥补这一缺陷.

4结束语

高层建筑的快速发展增加了对其力学及结构分析模型等方面的诸多要求.因此,寻找新的结构设计形式与正确的力学分析模型,是当前高层建筑结构设计工作人员的主要奋斗目标；只有找到新型建筑结构设计形式与正确的力学分析模型,才能使高层建筑获得更好的发展.