概述高层建筑结构选型设计

陈扬鹏

[摘要]随着高层建筑高度、规模、投资与复杂性等逐步增大,结构选型所面临的对象及其所处环境、需考虑解决的问题及所用的知识日趋复杂,不仅要考虑到建筑设计、结构设计、建筑施工的要求,而且要从建筑设备安装、结构选材方面进行考虑。因此,重新认识结构选型设计问题的本质与规律,进一步明确结构选型的必要性与复杂性特征,既是现代高层建筑建设实践的要求,也是全面认识结构选型问题的需要。

[关键词]结构选型 结构体系

一、高层建筑结构选型

搞好结构工程的关键在于结构选型。地震区高层建筑的体系选型,实际上属于抗震概念设计范畴,它是在总结震害规律及工程经验的基础上,以宏观概念为指导,正确地解决高层建筑的总体方案,选择合理的结构体系,以达到合理抗震。通常应选择对抗震有利的地段,选用整体性较好的基础,立体结构应具有合理的地震作用传递途径,拥有多道抗震防线,具有必要的刚度和强度,具有合理的刚度和强度分布,避免竖面侧移刚度的突变。另外亦宜选择风压体型系数较小的形状并限制高宽比。

对于低层、多层或高层建筑,其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的。但随着高度的增加,由于以下两个原因,竖向结构体系成为设计的控制因素:较大的竖向荷载要求有较大的柱、墙和井筒;更重要的是,侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多,必须精心设计。高层建筑的竖向结构体系从上到下一层层地传递累积的重力荷载,因此要求较大的柱或墙截面来承受这些荷载。同时,这些竖向结构体系还必须把风荷载或地震作用等侧向荷载传给基础。可是,与竖向荷载相比,侧向荷载对建筑物的效应不是线性的,而是随建筑物的增高而迅速增大。当低层或多层建筑的结构按恒载及活荷载设计时,柱、墙、楼梯或电梯井就自然能承受大部分水平力,问题主要是抗剪。在“矮”房子的框架中,可以填充一些墙板,甚至全部填满墙板的办法很容易获得适当的附加支撑效果,而不必另外再加大原来竖向荷载所需要的柱和梁的尺寸。高层建筑并非如此。为了使高层建筑足以抵抗相当大的侧向荷载和侧移,常常不得不进行专门的结构布置,柱、梁、墙和板的截面总是要大一些。

二、高层建筑结构特点

1.水平荷载成为决定性因素。建筑物自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值, 仅与建筑物高度的一次方成正比; 而水平荷载对结构产生的倾覆力矩,以及由此在竖向构件中引起的轴力,是与建筑物高度的二次方成正比;另外,对某一定高度建筑物而言,竖向荷载大体上是定值, 而作为水平荷载的风荷载和地震作用,其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2.轴向变形不容忽视。高层建筑中,竖向荷载数值很大,能够在柱中引起较大的轴向变形, 从而会对连续梁弯矩产生影响, 造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大;还会对预制构件的下料长度产生影响, 要求根据轴向变形计算值, 对下料长度进行调整;另外对构件剪力和侧移产生影响,与考虑构件竖向变形比较, 会得出偏于不安全的结果。

3.侧移成为控制指标。与较低楼房不同, 结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加, 水平荷载下结构的侧移变形迅速增大,因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

4.结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言,高楼结构更柔一些,在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力,避免倒塌,特别需要在构造上采取恰当的措施,来保证结构具有足够的延性。

三、高层建筑的结构体系

1.框架结构体系。由梁、柱、基础构成平面框架,它是主要承重结构,各平面框架再由梁联系起来,形成空间结构体系。框架结构的优点是建筑平面布置灵活。外墙采用非承重构件,可使立面设计灵活多变。一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中,由梁和柱通过节点构成承载结构。框架结构可形成灵活布置的建筑空间,使用较方便。但随着结构高度增加, 水平作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增加, 从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加,增加到一定程度后,将给建筑平面布置和空间处理带来困难, 影响建筑空间的正常使用。因而, 框架结构主要适用于非抗震区和层数较小的建筑。

2.剪力墙结构体系。剪力墙结构体系是利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构体系。墙体同时作为维护及房间分隔构件。剪力墙间距一般为3～8m,现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好,刚度大,在水平荷载作用下侧向变形小,承载力要求容易满足,适于建造较高的高层建筑。而且其抗震性能良好。剪力墙体系属刚性结构, 其位移曲线呈弯曲型。剪力墙结构比框架结构刚度大、空间整体性好,用钢量较省,结构顶点水平位移和层间位移较小,能够满足抗震设计变形要求,且具有一定的延性,传力直接均匀,抗倒塌能力强。

3.框架-剪力墙结构体系。框架-剪力墙结构体系由框架和剪力墙组成。剪力墙作为主要的水平荷载承受的构件,框架和剪力墙协同工作的体系。在框架-剪力墙结构中,由于剪力墙刚度大,剪力墙承担大部分水平力,是抗侧力的主体,整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承受竖向荷载,提供较大的使用空间,同时承担少部分水平力。由于有了剪力墙,其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了,在地震作用下层间变形减小,因而也就减小了非结构构件的损坏。这样无论在非地震区还是地震区,都可以用来建造较高的高层建筑。框架—剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

4.筒体结构体系。筒体结构体系由一个或多个筒体为主抵抗水平力。筒体是一种空间受力构件, 分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体, 空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体结构最主要的特点就是它的空间受力性能。筒体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震能力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

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