建筑结构选型论文

浅谈高层建筑的结构选型问题【摘要】:高层建筑是高科技发展的产物，它作为一种非历史传承的建筑形式，缺少其他建筑形式常有的地域性特征，也没有悠久的文化传统沉淀下来的痕迹但是城市人口集中、用地紧张以及商业竞争的激烈化，促使了近代高层建筑的出现和发展成为了必然。而目前的工程设计领域中，设计人员忙于应付大量的具体工作，往往不够重视结构经济性问题，导致同一工程不同的人设计其土建造价可能差别很大，造成不必要的浪费。这对于经济实力并不发达、尚处于第三世界发展中国家的的中国来说是一个急待解决的问题。本文主要分析了高层建筑的特点、高层建筑的结构体系，高层建筑结构分析与设计，高层建筑的抗震问题等。关键词：高层建筑结构选型结构体系结构设计结构抗震高层建筑结构的特点结构要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。低层结构的水平荷载对结构影响通常较小，但在高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素。随着高度的增加，位移增加很快。但是过大的侧移会使人感觉不舒服，从而影响使用，会造成非结构构件和结构构件的损坏。所以必须将结构的侧移控制在一定的范围之内，于是抗侧力结构设计成为关键。高层建筑结构的结构体系目前，在高层建筑中常见的结构形式主要有以下四种：框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构等。几种结构形式房屋的适用最大高度如下表表I现浇钢筋混凌土房屋适用的最大高度m结构体系非抗震设防烈度设计678$框架结构706055+525框架-.期力堵结构14013。J2D100S)全落地s工颇…小剪力增结构150140J.2D10055力增培构部分框支不应采用剪力墙皓构13()120J.DD80框架-核心筒体结构皿皿皿160IJ0J3D100简结构简中筒结构200180J5D12080（1）框架结构框架结构一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中。框架是由柱和与柱相连的横梁所组成的承重结构，一般用钢筋混凝土作为主要材料，当层数较多，跨度、荷载很大时，也可用以钢材作为主要承重骨架的钢结构。采用框架结构形式，可形成内部大空间，进行灵活的建筑平面布置，但随着建筑高度的增加，若受水平作用框架底部梁柱构件的弯矩和剪力将显著增大，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加，到一定程度，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，在材料用量和造价方面倾于不合理。因此，框架结构体系一般为-15层，最高不超过20层，且高度不超过60m。（2）剪力墙结构剪力墙结构一般用于钢筋混凝土结构中，是利用墙体作为承重骨架的一种结构形式。它以房屋中墙体代替了框架中的梁、柱构件来承受建筑物的竖向和水平荷载。剪力墙既是承重结构又能起围护作用，它除了承受竖向压力以外，还要承受水平荷载引起的弯矩和剪力。对剪力墙的形状并无任何限制，矩形、弧形、三角形为常见形式。剪力墙在平面中既可对称也可非对称布置，但这对于在侧向力作用下的结构性能有很大影响。一个剪力筒若处于平面偏心位置，将要承受扭转、弯曲和直接剪切，所以剪力墙应尽可能对称布置，平面形状力求方正和均衡。剪力墙结构内部墙体多，使建筑平面布置和使用要求受到一定的限制，不容易形成大空间。住宅和旅馆客房楼层具有开间较小、墙体较多、房间面积不太大等特点，采用剪力墙结构比较适宜，而且房间不露出棱角，整体美观。为了满足布置门厅、餐厅、会议室、商场和公用设施等大空间的要求，可在底部一层或数层取消部分剪力墙而代之以框架，形成框支剪力墙。（3）框架一剪力墙结构框架一剪力墙结构，即是把框架和抗震墙两种结构共同组合在一起而形成的结构体系。房屋的竖向荷载通过楼板分别由框架和剪力墙共同承担，而水平荷载则主要由水平方向刚度较大的剪力墙来承受。框架-剪力墙结构对平面布局和形状构成表现出很大的灵活性，适合各类建筑，特别是当一栋建筑的不同楼层安排不同的功能内容时（俗称建筑综合体）更显其优越性。楼梯、电梯等剪力核心在平面布置中的位置、数量、分布可根据建筑物的功能要求而定。目前，我国有大量已建或在建的办公楼、旅馆等高层建筑，层数多在15-30层区段，结构主要材料为混凝土，选用框架一剪力墙比较合适。例如：我这次设计的办公楼，主楼19层，高为77m，设计中，结构楼梯和电梯设立剪力筒，其形状与平面外围尺寸相配合，布局与建筑多项功能组织、造型设计配合默契。（4）筒体结构随着城市建设的飞速发展，建筑物层数、高度的增多、增大，高层建筑承受的水平地震作用大大加强，框架、剪力墙以及框架一剪力墙等结构形式已不能满足要求。为此，可将剪力墙在平面内围合成箱形，形成一个竖向布置的空间刚度很大的薄壁墙筒体；也可加密框架的柱距（通常不大于3m，并加强梁的刚度，形成空间整体受力的框筒体，从而构成具有良好抗风和抗震性能的筒体结构体系。该体系根据筒的布置、组成、数量等又可分为框架一筒体结构体系、筒中筒结构体系和成束筒结构体系。所谓框架一筒体结构就是由一个或若干个筒体和柱组成的结构形式。根据柱布置位置的不同，又有外筒内框架和内筒外框架两种不同的框架一筒体形式。在实际建造的高层建筑中，更多的是采用内筒外框架结构。这是因为，考虑建筑平面布置功能的要求，在一般高层房屋中，电梯与管道井均设在建筑物内部，而它们本身就是一个很好的筒体。它们通过楼面梁板与四周柱相连，即形成了内筒外框架结构。在超高层建筑中大量运用的结构形式是筒中筒结构。所谓筒中筒结构是由内外放置的几层筒体组成的一个承受骨架结构。筒体效应对于平面为圆形或接近正方形的建筑非常有效，在实际工作中选择这类结构的建筑，其标准层无一例外地均设计成正方形或接近正方形。如前所述，单个筒体具有比其它结构形式优越的抗侧力能力，若将各单个筒体组合起来则更显示其力量，即组合筒结构，例如：西尔斯大厦利用这一构想，用9个筒体组合成群，平面上也划分为9个单元，随着群筒高度上升，至某一定区段切割下一定数目的单筒，至建筑顶段时仅剩两个单筒；建筑外部轮廓呈台阶收缩状，标准平面分段减小可以适应不同使用功能的面积要求(顶层住宅、中段办公、底部商场)。这一例子很好体现了结构选型与建筑平面布置功能的关系。高层建筑结构分析与设计3.1水平荷载成为决定因素任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，但水平荷载却起着决定性的作用。随着高层建筑层数的增多，水平荷载成为结构设计中的控制因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中产生作用，而水平荷载也对结构产生倾覆作用，并由此产生高层建筑在竖构件中的作用力；另一方面，对高层建筑来说，竖向荷载和地震作用，也随建筑结构动力特性而发生大幅度的变化。3.2侧移成为控制指标与低层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着楼层的增加，水平荷载作用下高层结构的侧向变形迅速增大。设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，确保良好的居住和工作安全。由此可见，高楼的使用功能和安全，与结构侧移的大小密切相关。3.3结构延性成为重要设计指标与低层建筑结构相比，高层建筑结构更柔和，在地震作用下的变形度更大。为了确保高层建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，从而避免倒塌，设计人员特别需要在建筑结构设计上采取恰当的措施，来保证高层建筑结构具有足够的延性。高层建筑的抗震问题高层建筑结构抗震体系选定的原则：具有明确的计算简图和合理的地震力传递路线具备多道抗震防线，不会因部分结构或构件失效，而导致整个体系丧失抗侧力或承受重力荷载的能力；具有必要的承载力、良好的延性和较多的耗能潜力，从而使结构体系遭遇地震时具有足够的防倒塌能力；沿水平和竖向结构的刚度和强度分布均匀，或按需要合理分布，避免出现局部削弱或突变，形成薄弱环节，从而防止地震时出现过大的应力集中或塑性变形集中的危险。在确定高层建筑方案的同时，应综合考虑房屋的重要性、设防烈度、场地类别、房屋高度、地皋基础，以及材料供应和施工条件，并结合结构体系的经济、技术指标，选择最合适的结构体系。伸缩缝设置的原则：当高层建筑结构未采取可靠措施时，其伸缩缝间距按规范控制。当屋面无保温或隔热措施时，或位于气候干燥地区、夏季炎热且暴雨频繁地区的结构，可适当减少伸缩缝的间距。当混凝土收缩较大，或室内结构因施工外露时间较长时，伸缩缝间距适当减少。当采取一定的构造措施和施工措施(如施工后浇带等)减少温度和收缩应力时，可增大伸缩缝的间距。沉降缝设置的原则当建筑物相邻部位荷载悬殊，或地基土层压缩性变化过大，造成较大差异沉降时，宜设置沉降缝将结构划分为独立单元。沉降缝的基本要求是相邻单元可自由沉降，并能有效地传递水平力。高层建筑与裙房设防震缝分开时，如二者的基础埋置深度相同，或高差较小，应采取措施保证高层部分的侧向约束。高层部分与裙房之间，当采取一定的措施后，可连为整体而不设沉降缝。沉降缝和防震缝的宽度应考虑由于基础转动产生结构顶点位移的要求。防震缝设置的原则需要抗震设防的建筑，当必须设缝时，其伸缩缝、沉降缝均应符合防震缝的要求。结束语：在高层建筑方案设计阶段，应使结构专业与建筑专业密切配合，适当调整和优化建筑平面布置，在满足建筑功能