高层建筑初步结构设计要点

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摘 要：近几年来,高层建筑在我国特别是一些大城市如雨后春笋般出现,不断增加.随着高层建筑快速发展的需求,建筑的高度也日益增加,导致设计难度不断增加.建筑功能及类型也变得越来越复杂,同时结构体系也比以前多样化,高层建筑的初步结构设计也逐渐成为工程师设计工作的重点和难点.本文通过对高层初步结构设计的影响因素及结构体系做了探讨.

关 键 词：高层建筑初步结构设计影响因素

0引言

高层建筑是在人民生活需求与社会生产的需要而出现的,是现代城市化、商业化和工业化的必然结果.随着科学技术水平不断提高,出现的高强度轻质材料和建筑中机械化、电气化的实现,因此,提供给了高层建筑发展所需要的物质基础及技术条件.但随着高层建筑结构高度的增加和复杂程度不断变难,也给高层建筑结构设计带来了更多新课题与更高水平的挑战.因此,如何设计一个安全的、经济合理的、功能齐全及舒适美观的高层建筑,既能符合人们精神生活的追求,又能满足人们生产的需要,这是建筑结构设计师们不得不面对及要解决的首要问题.因此,本文简要的进行了对高层建筑的结构初步设计一些要点的探讨.

一、高层建筑初步结构设计要考虑的因素

1.水平荷载因素

所有的建筑结构,都要承受着垂直荷载及由风产生的水平荷载,而本身又要具备抵抗地震作用的功能.一般的低层楼房,通常只需要考虑以重力为代表的竖向荷载进行结构设计,而由水平荷载产生的无论是内力还是位移都很小,结构所受到影响也相对较小；但在高楼大厦这般建筑,尽管初步结构设计要考虑垂直载荷的重要影响,可是对高层建筑起着决定性作用的却是水平荷载.随着楼层数量的不断增加,水平荷载越发成为控制结构设计的因素.因为一方面,楼房本身重量及楼面产生的荷载,对垂直构件所引起的轴力与弯矩的数值与建筑的高度成正比；而结构受水平荷载产生的倾覆力矩及在竖直的构件中所造成的轴力,却与楼房高度的平方成正比；而另一方面,对一指定高度楼房,来自垂直荷载的风荷载及受地震作用,其数值与结构的动态特性的不同,而产生较大幅度的变化.某一高层结构中,如果竖向荷载对竖构件中发生的轴向力为N,水平荷载为q,其中对结构产生的倾覆力矩为M,建筑高度取H,它们之间存在的关系式如下：

竖直荷载N等于WH

水平倒三角荷载M等于1/3qH2

水平均布荷载M等于1/2qH2

其中,W是作用在楼房每米高度上的竖向荷载（kN/m）

2.轴向变形因素

在竖向荷载大的高层建筑,其柱不仅可以导致比较大的轴向变形,也会造成连续梁弯矩受到很大的影响,并最终减少中间支承连续梁负弯矩值,加大跨中正弯矩值及末端轴承负弯矩值.此外,还会对预制构件中的下料的长度造成影响,因此,在下料长度的调整过程中,应根据计算轴向变形的值.

3.侧移因素

高层建筑和较低的或多层建筑有所不同,在高层结构设计中结构侧移是一关键因素,横向结构在设计时,高层结构已经成为一个关键的因素.随着楼层数量的增加,结构受水平荷载下的侧向变形快速增大,同时和建筑物高度的4次成正比.目前,高层建筑的高度在增加、高强度轻质材料的应用、新结构体系和新的建筑形式的出现,侧向位移的快速增大,所以,在设计过程中不但要使结构有足够的强度,同时也要有足够强的抗推刚度,做到在水平荷载下结构侧移被控制在一定的限度,不然将出现以下情况：

（1）由于侧移产生的附加内力较大,对竖向构件的侧向位移增大时,会造成偏心加剧,而产生的附加内力值大于一定数值时,则将导致房屋侧塌.

（2）让人感觉不适或造成恐慌.

（3）造成填充墙及建筑装饰出现开裂或损坏现象,造成电梯轨道受影响导致不能正常操作.

（4）造成主体结构构件产生裂缝,甚至受到损坏.

4.刚度比

刚度比是一个重要的指标进行控制垂直不规则结构.在《抗震规范》及《高规》提出,有关软件提供有关刚度比三种计算方式,分别是剪弯刚度、剪切刚度及地震力和对应的层间位移比.正确对三种计算刚度比的方法及适用范围,这是刚度比计算的关键所在.

二、高层建筑的结构体系

1.框架结构体系

在结构体系上,早期大多数是采用框架结构.因为它对平面布置灵活且空间大,可以满足多功能的需要,所以成为了高层建筑主要的结构形式.但由于框架结构能产生的侧向刚度较小,在一般节点连接的侧风或地震作用下,将会有出现较大的变形.因此,对这种结构形式在高度建设及层数结构形式上有了限制.

2.剪力墙结构体系

在建筑的更高层数的要求下,并结合住房、公寓及酒店对单开间的需求,就使到较高层数的剪力墙结构的出现.剪力墙结构的侧向刚度良好及平面布置规整,根据功能要求,建造一个自底向上的现浇钢筋混凝土剪力墙,用它来抗侧风和地震所起到的作用是很不错的,因此,它允许建筑物出现的高度明显高于框架结构.但注意的是墙中水平分布及竖向分布的钢筋直径应大于8mm,而间距不能大于300mm,温度应力及收缩应力较大的位置,要适当加粗.在水平分布的钢筋沿墙两个侧面是要双排式布置同时要用拉筋连系,而拉筋的直径要大于6mm,间距又要小于600mm.钢筋水平分布及竖向分布的最小配筋率都要达到0.2%,并在重要部位要适当有所提高.

但剪力墙结构本身也存在缺陷,就是平面布置的灵活性较差,而且在使用上也有一定限制性.因此,它的适用范围不是很大,只是适用于住房、公寓和酒店等建筑,现在我国大多数的高层住宅建筑都是采用剪力墙结构为主.

3.框架联合剪力墙结构体系

建筑功能它比较有灵活性,又可以满足强风与地震作用下的考验,把框架结构与剪力墙结构两者的优点结合起来,形成框架-剪力墙这一结构体系.因为架结构的优点是布置灵活,而剪力墙结构则有较好的抗侧力功能,通过两者结合后形成的结构体系可符合一般建筑功能的要求,设置一些剪力墙在适当的位置,既符合建筑布置需要,同时也是结构抗侧力的需要.因此,在结合之后,框架-剪力墙结构体系有了更宽的范围和适应高度,是一种比较好用的结构系统,并有了广泛应用.

三、高层建筑结构设计与构造要求

框架-剪力墙结构中的框架与剪力墙截面的设计,不但要满足框架截面设计与剪力墙截面设计的原则,还应该重视以下要求：

1.框架适用高度、抗震等级及高宽比的调整

在进行抗震设计时,要使框架与剪力墙双方共同承担地震作用下对房屋的倾覆力.如果由框架承担超过倾覆力矩的50%时,也就是说框架部分占了主要地位.50%以上的倾覆力矩,部分描述框架已经在主要的位置,应加强抗震能力的储备.合适的高度及高宽比的取值,可在框架结构与剪力墙结构两者之间取值,按框架部分所承担的总倾覆力矩百分比而定,当这个百分比接近0时,则取接近剪力墙结构的高宽比与适用高度,当百分比接近100%时,则取接近框架结构的适用高度与高宽比.

2.框架剪力墙的框架总剪力调整

在框架-剪力墙结构中,柱与剪力墙相比抗剪刚度是很小的,因此在地震作用下,主要是由剪力墙来承担起楼层因地震造成的总剪力,而框架柱承担的只是很小一的部分,所以,框架由于地震效应所引起的内力是很小的,但框架是抵抗地震第二防线,不能过于单薄,为了确保框架部分具备一定的抗震能力,要求使框架部分能承担的地震剪力不能小于一定值.然而框架剪力的调整要以楼层剪力达到楼层最小剪力系数为前提,才能去进行调整.

四、结束语

高层建筑设计难度及复杂性要比普通的多层建筑难得多,不管是建筑的使用功能还是结构安全性、体系合理性及设备配套等都有着更高的要求.同时结构专业如何才能做得更好,这是我们应该继续深入研究的课题,所以我们要通过总结过去的设计经验,向前辈学习以及吸收设计同行的优点和先进的技术,以不断提高自身的设计水平,是我们不断奋斗的目标.