浅谈高层建筑的结构设计

1、浅谈高层建筑的结构设计    摘要:指出高层建筑要重视概念设计,明确结构体系,并应合理地进行结构计算分析与调整及采取必要的构造措施,为保证建筑物的安全提供了理论基础。 关键词: 结构设计；平面布置；效应 Abstract: points out that high building have to pay attention to the concept design, clear structure system, and should be reasonably structure calculation analysis and the adjus

2、tment and take the necessary structural measures, to ensure the safety of the building provides theory basis. Keywords: structure design; The layout; effect 中图分类号：TB482.2文献标识码：A 文章编号： 随着城市人口的不断增多及建设用地日趋紧张和城市规划的需要, 促使高层建筑得以快速发展。另一方面由于轻质高强材料的开发及新的设计计算理论的发展, 抗风和抗震理论的不断完善, 加之新的施工技术和设备的不断涌现, 特别是计算机的普及和应用

3、以及结构分析手段的不断提高, 为迅速发展高层建筑提供了必要的技术条件。 1 要进行合理的概念设计 概念设计比数值设计更重要。先进的设计思想可以通过概念设计得到充分的体现。概念设计是指通过力学规律、震害教训、试验研究、工程实践经验等建立设计概念、设计对策和措施,它比量化的计算更能有效地从宏观上处理好结构的安全问题,特别是抗震安全。以概念设计为指导,能够正确地解决高层建筑的总体方案,包括结构抗侧力体系的选择;结构抗竖向力体系的选择;结构楼面体系的选择;房屋的高宽比;结构的平面布置和竖向布置;变形缝的设置;材料的选用和构造处理等问题。下面主要阐述两点。 1. 1 结构平面布置刚度宜均匀,减少扭转 高

4、层建筑的平面布置宜简单、规则,尽量减少突出、凹进等复杂平面。更重要的是结构平面布置时要尽可能刚度均匀,即结构的刚心与质心尽量接近,减少地震作用下的扭转,扭转对结构的危害很大。减少结构的扭转,一是减少地震作用引起的扭转,二是增加结构抵抗扭转的能力。平面刚度布置均匀,可减少地震作用下的扭转。而影响平面刚度均匀的主要因素是剪力墙的布置。剪力墙集中布置在结构平面的一端或一侧是不好的。大刚度抗侧力单元偏置的结构在地震作用下扭转大,而对称布置剪力墙、井筒有利于减少扭转。周边布置剪力墙,或周边布置刚度很大的框筒等,都是增加结构抗扭刚度的重要措施,有利于抵抗扭转。为了减少地震作用下的扭转,还要注意平面上质量分

5、布,质量偏心会引起扭转,质量集中在周边会加大扭转。 1. 2 结构竖向刚度宜均匀,避免薄弱层,减少鞭梢效应 结构宜做成上下等宽或由下向上向心逐渐减小的体型,更重要的是结构的抗侧刚度应当沿高度均匀分布,或沿高度向心逐渐减小。各层剪力墙的布置是影响结构竖向刚度是否均匀的主要因素。框支剪力墙结构是典型的结构竖向刚度有突变的结构,框支层的变形大,为薄弱层,容易发生地震震害。故在结构设计时,不允许将全部或大部分剪力墙设计成框支,必须有一定数量的落地剪力墙,让框支剪力墙的软弱层由落地剪力墙加强,将框支剪力墙转换层以上的剪力较均匀的转移到落地剪力墙上,从而避免软弱层引起的震害。 由于建筑立面有较大的收进或顶

6、部有小面积的凸出房间造成建筑立面体型沿高度变化,或者为了加大建筑空间而顶部减少剪力墙等,都可能使结构顶部少数层刚度突然变小,这可能加剧地震作用下的鞭梢效应,顶部的侧向甩动变形过大也会使结构遭受破坏,所以在概念设计中,应当考虑到这些方面的影响,在方案阶段进行调整或采取加强措施。总之,通过概念设计,应力求达到抗震体系选择恰当,经济合理,较好满足设计规范的各项要求。 2 选择合理的结构体系 根据工程实践经验,如果高层建筑结构体系选型不当,任凭再用先进的结构理论和精确的计算方法,也较难作出安全可靠、经济合理的高层建筑结构设计。正确处理高层建筑结构体系的选型问题,对于高层建筑结构设计而言,具有重要意义。

7、高层建筑结构体系按结构形式分类主要有:框架结构;抗震墙结构;框架抗震墙结构;筒体结构;部分框支抗震墙结构;板柱抗震墙结构等等。不同的结构体系所具有的强度和刚度是不一样的。因此它们适用的高度也不同。不同的建筑功能选择的高层建筑的结构体系也不尽相同。各种结构形式适用的高度范围在建筑抗震设计规范中有明文规定。一般地,框架结构布置灵活,具有较大的室内空间,在考虑抗震设防要求的建筑中,由于框架梁柱截面较小,抗震性能差,刚度较低,而且高层建筑中的框架填充墙在地震中破坏严重,修复费用较高。故其多用于高度低、层数少的公共建筑。框架抗震墙结构既具有框架结构布置灵活、方便使用的特点,又有较大的刚度和较强的抗震性能

8、,多用于公共建筑和旅馆建筑等。抗震墙结构刚度很大,空间整体性好,承载力大,在水平力作用下侧移小,用钢量较省。它比较适用于高层住宅及旅馆建筑等隔墙较多的建筑。一般框架抗震墙结构和抗震墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求;筒体结构抗侧刚度大、空间受力性能好,当建筑物的层数多、高度大、设防烈度高时,采用前述几种结构体系往往难于满足要求,可用筒体结构。 3 合理的结构计算分析与调整 开始计算前,应根据高层结构的实际工作状况,建立正确的计算模型,根据概念设计做必要的简化计算与处理。计算软件技术条件的输入应符合规范及有关标准的规定,并应根据具体工程注意需要特殊处理的内容。对于复杂结构进行多遇地震作用下的内

9、力和变形分析时,应采用不少于两个不同的力学模型,并对其计算结果进行分析比较。对计算机的计算结果,应经分析判断确认其合理、有效后方可用于工程设计。 结构计算控制的主要计算结果有结构的自振周期、位移、平动及扭转系数、层间刚度比、剪重比、有效质量系数等。在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,A 级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1. 2 倍,不应大于该楼层平均值的1. 5 倍;B 级高度高层建筑、复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1. 2 倍,不应大于该楼层平均值的1. 4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt 与平动为主的第一自振周期T1 之比,A 级高度高层建筑不应

10、大于0. 9 ,B 级高度高层建筑、复杂高层建筑不应大于0. 85 。这是限制结构的抗扭刚度不能太弱。如果周期比不满足,应调整抗侧力结构的布置,增大结构的抗扭刚度。在结构外围增加墙体或调整墙厚、减少核心筒的刚度、增加外围连梁的高度等加强四周结构的刚度,均可以使结构的扭转周期靠后。对于竖向不规则的高层建筑,根据层间刚度比的结果确定薄弱层(薄弱层为该楼层抗侧刚度小于其上一层的70 %或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80 % ,或该楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80 % ,或该楼层竖向抗侧力构件不连续) ,并对薄弱层地震作用标准值的地震剪力乘以1. 15 的增大系数。 另外,地下室水平位移嵌固位置,转换层刚度是否满足要求等,都要求有层刚度作为依据。复杂高层建筑抗震计算时,宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应,振型数不应小于15 ,对多塔结构的振型数不应小于塔楼数的9 倍,且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90 %。也就是说,高层建筑应保证有效质量系数超过0. 9 ,否则意味着计算振型数不够。如果不够,说明后续振型产生的地震作用可能忽略,而忽略将导致地震作用偏小。按此地震作用设计的结构将存在不安全性,所以应该增加振型数重新计算。总之,高层结构计算很难一次完成,应根据试算结果,按上述要求多次调整,才能得到较为合理的计算结果,