概述高層建筑結構選型設計

陳揚鵬

[摘要]隨著高層建筑高度、規模、投資與復雜性等逐步增大,結構選型所面臨的對象及其所處環境、需考慮解決的問題及所用的知識日趨復雜,不僅要考慮到建筑設計、結構設計、建筑施工的要求,而且要從建筑設備安裝、結構選材方面進行考慮。因此,重新認識結構選型設計問題的本質與規律,進一步明確結構選型的必要性與復雜性特征,既是現代高層建筑建設實踐的要求,也是全面認識結構選型問題的需要。

[關鍵詞]結構選型 結構體系

一、高層建筑結構選型

搞好結構工程的關鍵在于結構選型。地震區高層建筑的體系選型,實際上屬于抗震概念設計范疇,它是在總結震害規律及工程經驗的基礎上,以宏觀概念為指導,正確地解決高層建筑的總體方案,選擇合理的結構體系,以達到合理抗震。通常應選擇對抗震有利的地段,選用整體性較好的基礎,立體結構應具有合理的地震作用傳遞途徑,擁有多道抗震防線,具有必要的剛度和強度,具有合理的剛度和強度分布,避免豎面側移剛度的突變。另外亦宜選擇風壓體型系數較小的形狀并限制高寬比。

對于低層、多層或高層建筑,其豎向和水平結構體系設計的基本原理是相同的。但隨著高度的增加,由于以下兩個原因,豎向結構體系成為設計的控制因素:較大的豎向荷載要求有較大的柱、墻和井筒;更重要的是,側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多,必須精心設計。高層建筑的豎向結構體系從上到下一層層地傳遞累積的重力荷載,因此要求較大的柱或墻截面來承受這些荷載。同時,這些豎向結構體系還必須把風荷載或地震作用等側向荷載傳給基礎。可是,與豎向荷載相比,側向荷載對建筑物的效應不是線性的,而是隨建筑物的增高而迅速增大。當低層或多層建筑的結構按恒載及活荷載設計時,柱、墻、樓梯或電梯井就自然能承受大部分水平力,問題主要是抗剪。在“矮”房子的框架中,可以填充一些墻板,甚至全部填滿墻板的辦法很容易獲得適當的附加支撐效果,而不必另外再加大原來豎向荷載所需要的柱和梁的尺寸。高層建筑并非如此。為了使高層建筑足以抵抗相當大的側向荷載和側移,常常不得不進行專門的結構布置,柱、梁、墻和板的截面總是要大一些。

二、高層建筑結構特點

1.水平荷載成為決定性因素。建筑物自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值, 僅與建筑物高度的一次方成正比; 而水平荷載對結構產生的傾覆力矩,以及由此在豎向構件中引起的軸力,是與建筑物高度的二次方成正比;另外,對某一定高度建筑物而言,豎向荷載大體上是定值, 而作為水平荷載的風荷載和地震作用,其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

2.軸向變形不容忽視。高層建筑中,豎向荷載數值很大,能夠在柱中引起較大的軸向變形, 從而會對連續梁彎矩產生影響, 造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小,跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大;還會對預制構件的下料長度產生影響, 要求根據軸向變形計算值, 對下料長度進行調整;另外對構件剪力和側移產生影響,與考慮構件豎向變形比較, 會得出偏于不安全的結果。

3.側移成為控制指標。與較低樓房不同, 結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加, 水平荷載下結構的側移變形迅速增大,因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

4.結構延性是重要設計指標。相對于較低樓房而言,高樓結構更柔一些,在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力,避免倒塌,特別需要在構造上采取恰當的措施,來保證結構具有足夠的延性。

三、高層建筑的結構體系

1.框架結構體系。由梁、柱、基礎構成平面框架,它是主要承重結構,各平面框架再由梁聯系起來,形成空間結構體系?？蚣芙Y構的優點是建筑平面布置靈活。外墻采用非承重構件,可使立面設計靈活多變。一般用于鋼結構和鋼筋混凝土結構中,由梁和柱通過節點構成承載結構?？蚣芙Y構可形成靈活布置的建筑空間,使用較方便。但隨著結構高度增加, 水平作用使得框架底部梁柱構件的彎矩和剪力顯著增加, 從而導致梁柱截面尺寸和配筋量增加,增加到一定程度后,將給建筑平面布置和空間處理帶來困難, 影響建筑空間的正常使用。因而, 框架結構主要適用于非抗震區和層數較小的建筑。

2.剪力墻結構體系。剪力墻結構體系是利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結構體系。墻體同時作為維護及房間分隔構件。剪力墻間距一般為3～8m,現澆鋼筋混凝土剪力墻結構整體性好,剛度大,在水平荷載作用下側向變形小,承載力要求容易滿足,適于建造較高的高層建筑。而且其抗震性能良好。剪力墻體系屬剛性結構, 其位移曲線呈彎曲型。剪力墻結構比框架結構剛度大、空間整體性好,用鋼量較省,結構頂點水平位移和層間位移較小,能夠滿足抗震設計變形要求,且具有一定的延性,傳力直接均勻,抗倒塌能力強。

3.框架-剪力墻結構體系?？蚣?剪力墻結構體系由框架和剪力墻組成。剪力墻作為主要的水平荷載承受的構件,框架和剪力墻協同工作的體系。在框架-剪力墻結構中,由于剪力墻剛度大,剪力墻承擔大部分水平力,是抗側力的主體,整個結構的側向剛度大大提高?？蚣軇t承受豎向荷載,提供較大的使用空間,同時承擔少部分水平力。由于有了剪力墻,其體系比框架結構體系的剛度和承載力都大大提高了,在地震作用下層間變形減小,因而也就減小了非結構構件的損壞。這樣無論在非地震區還是地震區,都可以用來建造較高的高層建筑。框架—剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

4.筒體結構體系。筒體結構體系由一個或多個筒體為主抵抗水平力。筒體是一種空間受力構件, 分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結構單體, 空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。筒體結構最主要的特點就是它的空間受力性能。筒體體系具有很大的剛度和強度,各構件受力比較合理,抗風、抗震能力很強,往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。

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