关于高层建筑结构设计的思考

关于高层建筑结构设计的思考王志刚中美合资安徽华盛国际建筑设计工程咨询有限公司 安徽 合肥 230001摘 要：住宅是人们适应自然、改造自然的产物，也是人们为了满足家庭生活的需要所构筑的空间环境，并且随着人类社会的发展而不断演变。随着改革开放的推动，我国的综合国力也在不断提高，其中房地产业的迅猛发展，让建筑业成为社会支柱产业之一。在现代社会中，因为经济的蓬勃发展，另外还有土地资源宝贵，所以高层建筑便像雨后春笋般迅速剧增，并不断壮大。本文针对建筑结构设计的基本方法与在建筑结构设计中需要注意的问题进行探讨。关键词：建筑;结构设计;方法引 言:近年来，随着我国社会经济的快速发展，高层建筑在城市化建筑中的比例也越来越大。随着对高层建筑使用功能要求的日益严格，高层建筑的高度不断增加，建筑类型与功能越来越复杂，高层建筑的数量日渐增多，高层建筑的结构体系也是越来越多样化。高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。面对如此形势，应该把高层建筑的结构设计放在首位加以研究。一、建筑结构特点分析1、高层结构的受力特点高层建筑结构受力特点与多层建筑结构受力特点主要区别是：高层建筑结构水平作用对于高层结构的影响起到主导作用，成为印象结构内力、结构变形的的主要因素。水平作用如风荷载、水平地震荷载科近似的认为是倒三角分布，该倒三角分布力在结构底部所产生的弯矩与结构高度的三次方成正比。水平作用力下结构顶点的侧向位移与高度的四次方成正比。所以由水平作用力产生的弯矩和侧向位移成为决定结构方案、结构布置及构件截面尺寸的控制因素。在考虑水平作用的同时也必须考虑轴向变形和剪切变形的影响。在高层建筑中，竖向荷载的作用与多层建筑相似，竖向构件内的轴力随着层数的增加而增大，可以近似的认为轴力与层数成线性关系，但是由于高层建筑结构层数较多，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形，使得高层建筑结构的内力值与分布产生显著的改变，在设计当中就必须考虑结构构件的竖向变形对于构件的变形和内力的影响。2、结构延性是高层建筑设计重要性质结构抗震设防的最后一个设防目标：大震不倒，是通过验算薄弱层弹塑性变形，并采取相应的构造措施使得结构具有足够的变形能力来实现。延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示。延性是结构屈服后变形能力大小的一种性质，是结构吸收能量的一种体现。合理的抗震设计应该使结构设计成延性结构。使得结构随着塑性铰的增加，结构将出现屈服现象，在承受的地震作用不大的情况下，结构性能增加较快。结构具备较好的延性，在结构出现破坏时仍然有较好的变形能力，提高结构修复和避免倒塌的可能性。在高层结构设计当中，由于结构收到水平作用的影响较大，为了使结构能够符合规范位移，周期等参数符合要求，高层结构的竖向构件刚度大。这对于结构的延性设计更加重要。二、高层建筑结构分析1、高层建筑结构分析的基本假定高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、筒体等）通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定：（1）弹性假定。目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的，应按弹塑性动力分析方法进行设计。（2）小变形假定。小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题（P效应）进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移与建筑物高度H的比值 /H 1/500时， P效应的影响就不能忽视了。（3）刚性楼板假定。许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。三、高层建筑结构体系选型问题1.框架结构框架结构主要通过梁柱作为高层建筑物的骨架结构，从而起到对建筑物的各项荷载进行传递与支撑的作用对于框架结构体系来说，墙体仅作分隔室内空间以及围护用。框架结构体系根据施工工艺的不同主要分为现浇式、装配式和装配整体式三种形式，一般情况下，在地震多发区叫多采用现浇或者梁柱现浇、板预制的设计方案，对于非地震区，则可以选择梁、柱、板预制的方案。由于框架结构的竖向承重全部由框架承受，承载力大，但是刚度小，侧向水平位移大，承受水平荷载的能力较小，因此框架结构的高度受到限制，但框架结构整体强度较高，抗震性能较好，而且建筑物内的平面布置非常灵活对于20层以下的高层建筑非常适用。2.剪力墙结构剪力墙结构主要通过建筑物内部横向以及纵向的钢筋混凝土剪力墙承受竖向荷载，剪力墙结构体系抗侧向刚度大，侧向位移较小。对于竖向荷载作用，剪力墙主要是起到承重的薄壁柱作用，对于水平荷载作用，剪力墙则是上端自由，下端固定的悬臂柱。由于高层建筑能够为建筑物提供较大的抗剪强度以及刚度，因此剪力墙结构相比较框架结构体系层数较多。但是由于剪力墙结构在建筑物内墙体较多，对于平面布置造成了一定的困难，因而不适宜内部空间要求较大的建筑，在住宅以及旅馆等高层建筑中比较常见。四、高层建筑结构设计应注意的问题1、提倡节约目前我国规范中的构造要求,并非都比国外低,有的已经超过,而我国现在还只是发展中国家,因此节约对我国来讲是非常重要的。国外大企业在北京买了按我国规范设计的大楼,说明我国规范不是进不了国际市场。现在对安全度进行讨论,应注意不要引起误导,千万不要误解提高建筑结构安全度建筑物就安全了,造成不必要的浪费,实践已经证明,现行规范安全度是可以接受的,这是重要的经验,不能轻易放弃。但考虑到客观形势变化,国家经济实力增强和住宅制度改革现状,可以将现行设计可靠度水平适当提高一点。这样投入不大,却对国家总体和长远利益有利。2、考虑受力性能对于一个建筑物最初的方案设计,建筑师考虑更多的是它的空间组成特点,而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的。由于建筑物是由一些大而重的构件所组成的,因此结构必须能将它本身的重量传至地面。结构的荷载总是向下作用于地面的,而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系,所以,在建筑设计的方案阶段,就必须对主要的承重柱和承重墙的数量与分布作出总体设想。五、结束语随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式，材料，力学分析模型都将日趋复杂多元化，为了革新高层建筑，体现其魅力所在，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的奋斗目标和发展方向。参考文献：1戴国莹，李德虎，建筑结构