高层建筑结构受力分析及体系选择

高层建筑结构受力分析及体系选择工程科学科20113味/I/_0年第期高层建筑结构受力分析及体系选择谭俊玲(重庆市轻一_r业设计院,重庆400015)摘要对目前较为普遍的高层建筑的结构体系进行适用性,经济性,抗震性能等几方面的比较,并论述各种结构型式的优缺点,对工程同行及业主在结构方案设计阶段确定结构选型时,具有较高的参考价值.关键词高层建筑;适用性;经济性;抗震性能中圈分类号TU355文献标识码A文章编号16739671一(2OLO)O71-006601近些年来,建筑业有了突飞猛进的发展,城市规划设计中的高层建筑越来越广泛.它以其高度强烈地影响着规划,设计,构造和使用功能.就结构特性而言,高层建筑是必须着重考虑水平荷载和竖向荷载组合影响的建筑物.设计高层建筑时,它的结构除在上述荷载组合下的强度,刚度和稳定性应予保证外,还必须控制由风荷载(或地震水平作用)所产生的侧向位移,防止由此产生的结构的和非结构性材料的破坏;控制由风荷载造成顶部楼层的加速度反应,以使用户对摆动的感觉和不舒适感降到最低程度.这就需要设计师从一开始就应该以一个立体的概念设计为基础.1高层建筑的受力分析高层结构设计是把房屋看成一个三维空间块体分层次来分析,对于复杂的高层,例如多塔结构也可以把它分成几块,分别研究其倾覆,刚度,承载力等问题,然后组合起来.首先,在方案阶段(I),可以把基本设计方案概念化,建立一个符合建筑空间三维形式的结构方案.在该阶段分析总结构体系的荷载和抗力关系,高宽比与抗倾覆,承载力和刚度,并预估基本分体系的相互关系.由于整个结构必然是由一些平面单元组成,因此在初步设计阶段(/),要扩展方案,把那些体现初步设计基本要求的,主要是二维的平面体系包括进来,进行基本水平和竖向分体系的总体设计,从而得到主要构件及其相互的关系.而在最后的第阶段,即施工图设计阶段,处理一维的构件设计,具体设计所有分体系的构件,连接和构造详图,对第阶段做出的粗略决定进行细化.对于高层建筑结构,可以设想成为一个从地基升起的竖向悬壁构件,承受水平侧向荷载和竖向重力荷载的作用.侧向荷载是由风吹向建筑物引起的水平压力和水平吸力,或者是由地震时地面晃动引起的水平惯性力.重力荷载则是建筑物自身的总重力荷载.这些侧向荷载和重力荷载的组合,趋向于既可能将它推倒(受弯曲),又可能将它切断(受剪切),还可能使它的地基发生过大的变形,使整个建筑物倾斜或滑移.对抗弯曲而言,结构体系要做到不使建筑物发生倾覆,其支撑体系的构件不致被压碎,压屈或拉断,其弯曲侧移不超过弹性可恢复极限;对抗剪切来说,结构体系要做到不使建筑物被剪断,其剪切侧移不超过弹性可恢复极限;对地基和基础来说,结构体系的各支撑点之间不应发生过大的不均匀变形,地基和地下结构应能承受侧向荷载引起的水平剪力,并不引起水平滑移.由于风力和水平地震作用力对于高层建筑是动荷载,使建筑结构抗弯曲和抗剪切时都处于运动状态,就会导致建筑物中的人有震动的感觉,使人有不舒服感.如果建筑物晃动得太厉害,还会使非结构构件(如玻璃窗,隔墙,装饰物等)断裂,甚至危及屋外行人的安全.所以,高层建筑结构要避免过大的震动.2高层建筑的结构体系通过受力因素分析,下一步就考虑采用什么结构体系,有下面几种高层建筑结构体系可供选择,其结构体系有:框架结构,剪力墙结构,框架一剪力墙结构,筒中筒结构等.根据其受力牛寺|,结合高层概念设计的三维层次考虑,选取合适的结构体系或其组合体系.(上接第57页)性调幅.当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时,可考虑在大震作用下该连梁不参与工作,按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析,墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋计算.2.5剪力墙墙身钢筋的分布及构造要求高规中规定一般剪力墙竖向和水平分布筋的配筋率,在一,二,三级抗震下设计时不应低于0.25%,而对于四级抗震设计和非抗震设计时则不应低于0.20%.按照这一原则,笔者设计的位于9度区的一级2.1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,形成空问结构体系.框架结构的优点是建筑平面布置灵活,可以做成有较大空间的会议室,餐厅,车间,营业厅,教室等.需要时,可用隔断分割成小房间,或拆除隔断改成大房间,因而使用灵活.外墙采用非承重构件,可使立面设计灵活多变.但是框架结构本身刚度不大,抗侧力能力差,水平荷载作用下会产生较大的位移,地震荷载作用下较易破坏.不高于15层宜采用框架结构,可以达到比较好的经济平篌点.2.2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38m,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,在历次的地震中,都表现了很好的抗震性能,震害较少发生,程度也很轻微.但是剪力墙结构间距不能太大,平面布置不灵活,而H不宜开过大的洞口,自重往往也较大,不是很能满足公共建筑的使用要求,而且其成本也较大.2.3框架一剪力墙结构体系框架一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荷载承受的构件,框架和剪力墙协同工作的体系.在框架一剪力平墙结构中,由于剪力墙刚度大,剪力墙承担大部分水平力(有时可以达到80%90%),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(隔墙和外墙)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.还可以把中间部分的剪力墙形成简体结构,布置在内部.外部柱子的布置就可以十分灵活;内筒采用滑模施工方便,外围的框架柱断面小,开问大,跨度大,便于使用,因此很适合现在的建筑设计要求.2.4筒中筒结构体系筒中筒结构体系由一个或多个简体为主抵抗水平力.通常筒体结构基本形式有三种:实腹筒,框筒及桁架筒.筒体结构最主要的特点就是它的空间受力性能.不论哪一种简体,在水平力作用下都可看成固定于基础上的箱形悬壁构件,它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力,并具有良好的抗扭刚度.简中筒结构是一种抵抗较大水平力的有效结构体系,但是南于它需要密柱深梁,当采用钢筋混凝土结构时,可能延性不好,而且造价昂贵.除了上述的几种结构体系外,还有其他一些结构体系.随着时代的进步,会涌现出越来越多更好的结构体系.这就需要不断学习,从各方面考虑运用经济合理的手段到达目标.抗震剪力墙,墙身分布钢筋配筋率必须大于0.25%.同时应注意这个配筋率是指”水平配筋率+垂直配筋率”的总称,具体在混凝土