高层建筑结构设计结构选型

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1高层建筑结构设计特点及类型

1.1高层建筑结构设计特点分析

高层建筑结构与低层建筑结构一样,需要同时承受结构自身自重（及其他荷载）产生的垂直作用和风荷载产生的水平作用,还有地震作用所引起的巨大的地震力.相对于低层建筑结构水平荷载对整个结构受力影响通常较小的状况,在高层建筑结构中水平风荷载和地震力作用通常都会成为高层（超高层）建筑结构设计的受力控制因素.而且,高层建筑结构随着结构高度的增加,结构受水平作用产生的侧向位移增加很快,结构侧移一旦过大就会使人感觉不舒服,同时也容易造成结构受力构件和非结构构件的破坏.因此,在高层建筑结构设计过程中,分析结构的侧向作用,控制结构的侧向变形在规范允许的范围内,是高层建筑结构设计的一个重要的方面.

1.2高层建筑结构类型

高层建筑结构通常采用钢筋混凝土结构、钢结构、钢混结构组成,目前国内较为常用的高层建筑结构体系主要有框架―剪力墙、框架-剪力筒、剪力墙结构、筒体结构以及组合结构等.在西方发达国家,大多数高层建筑采用钢结构或型钢-混凝土组合结构设计,这是因为钢结构具有强度高、韧性大、易于预制加工和安装等特点,所以高层建筑钢结构的结构断面均相对较小,普遍具有施工方便工期短,自重轻,抗震性能好等特点.在我国,随着高层建筑结构设计高度的不断攀升,采用钢结构的高层建筑设计也逐渐增多.但是,高层建筑结构因为用钢量巨大,其工程造价一般也比普通的钢筋混凝土结构高出许多.由于采用钢筋混凝土结构和钢结构均具有明显的优点和不足,所以在实际设计中,同时采用型钢和普通钢筋混凝土材料设计成高层组合结构,可以有效使得钢筋混凝土和钢材两种建筑材料互补长短,达到结构类型技术可靠,造价可控的设计效果.

2高层建筑结构分析与设计要点分析

2.1水平荷载成结构设计决定性因素

任何一座高层建筑结构都需要同时承受竖向自重荷载（其他竖向荷载）和侧向风压产生的横向水平荷载作用,另外还必须具备抵御设计烈度要求的地震作用的能力.在高层（尤其是超高层）建筑结构中,尽管结构自重等竖向荷载对结构受力具有重要的影响作用,但横向水平荷载（通常情况下主要风荷载和地震作用）是结构分析计算时的决定性因素.随着高层建筑结构的建筑高度不断增加,其横向水平荷载作用在结构设计中的重要性将快速上升.一方面,因为结构自重和楼面使用荷载在结构竖向构件中将引起一定的作用,而横向水平荷载对高层结构整体产生的倾覆作用将使得高层建筑结构在结构竖向构件中产生较大的拉力或者压力作用；另一方面,对高层建筑结构来说,结构自身自重的竖向荷载作用和地震作用,也会随结构自身的动力特性而引起大幅增大.

2.2结构侧移成为控制性因素

与低层结构不同,高层建筑结构的横向侧移已成为结构设计过程中的控制线技术参数,并且随着结构高度的增加,横向风压或地震作用下水平荷载引起的高层结构侧向位移变化会快速增加.因此,在高层建筑结构设计过程中,不仅要确保结构各构件具有足够的强度以提抗可能承受的风荷载作用或地震作用引起的结构内力,还要求结构整体具有足够大的抗侧移刚度,确保结构在横向力作用下引起的侧向位移值可控制在规范要求的限度范围内.由此可见,高层建筑的结构安全和使用功能的充分发挥,与结构体系的抗侧移性能密切相关.

2.3结构延性成为重要考虑因素

与低层或大跨建筑相比,高层建筑结构的柔性则相对明显,在相同地震作用下的结构变形要严重的多.为避免结构整体倒塌等严重后果,结构设计时应确保高层结构在进入塑性变形受力阶段后仍具有相对较强的变形耗能能力.因此,结构设计人员通常要在结构的相应部位采取恰当的加强措施,来保证结构整体具有足够的延性和耗能能力.

3高层建筑结构选型设计

在结构设计过程中,设计人员往往习惯于只重视建筑结构模型的受力性能分析,以及绘制结构施工设计图,经常忽视了前期设计阶段的概念设计等尤其重要的问题.根据高层建筑结构的结构体系特点,对高层结构在概念设计阶段对结构选型进行充分全面的比较分析和论证显得尤为重要,可以说结构选型的恰当与否将直接影响项目整体的安全性和经济性.

3.1结构体系选型与施工

高层建筑结构采用的施工技术不同,不仅会对项目的施工成本、施工进度及投资造价等技术经济指标造成影响,也会影响到高层建筑结构的使用功能,受力状态以及抗震、抗风性能等,故在高层建筑结构选型设计时,就需要对项目采用的施工技术及工艺,并综合其他实际因素加以分析.

3.2高层建筑结构抗震体系选定的原则

在确定高层建筑结构的结构体系方案时,应综合考虑结构的重要性等级、设防烈度要求、工程场地类别、地基基础形式、建筑结构高度以及施工技术条件和材料供应等因素,并结合结构体系的技术、经济指标,选择合理可行的高层结构体系.

具体设计中,选择设计的结构体系应具有明确的计算分析模型和合理的受力传递路径；保证结构各部位构件具有必要的承载力、良好的延性和耗能能力,且具备多道抗震防风（即结构整体不会因部分结构或构件损坏失效而引起整个结构体系丧失承载能力和抗倾覆能力）的防线,使得该高层结构即使一旦遭遇地震作用或强台风作用时也具有足够的抗倒塌能力；沿建筑结构水平和竖向的结构强度和刚度应尽量保持均匀分布,或在规范允许的范围内合理变化,避免结构出现局部削弱或薄弱环节的现象,从而避免高层结构在遭遇地震、台风等较强横向作用时出现过大的应力集中或塑性变形集中的现象.

4结束语

现代高层建筑结构设计是一项集数学分析、结构设计以及计算机优化设计于一体的综合性技术工作,同时也是一项创新性很强的实践活动.随着高层建筑结构设计理论、计算分析水平、施工技术、材料性能等的不断提高,高层建筑结构的结构体系也将日趋复杂化和多元化,追求更具创新性和合理性的结构形式,是结构工程师们今后不断努力的目标和方向.