淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾個問題[權(quán)威資料]

淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾個問題 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘要：隨著城市化發(fā)展以及建筑用地的緊張，高層建筑也日益增多。本文介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，對高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能以及設(shè)計中經(jīng)常遇到的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)側(cè)移和振動周期、剪重比等若干問題進(jìn)行了討論。 關(guān)鍵詞： 高層建筑高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題 TU208 A 隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和建筑功能的多樣化，城市人口的不斷增多及建設(shè)用地日趨緊張和城市規(guī)劃的需要，促使高層建筑得以快速發(fā)展。另一方面由于輕質(zhì)高強材料的開發(fā)及新的設(shè)計計算理論的發(fā)展，抗風(fēng)和抗震理論的不斷完善，加之新的施工技術(shù)和設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，特別是計算機的普及和應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)分析手段的不斷提高，為迅速發(fā)展高層建筑提供了必要的技術(shù)條件。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中值得重視的幾個問題進(jìn)行了探討。 1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu)專業(yè)在各專業(yè)中占有更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機電管道的設(shè)置、施工技術(shù)的要求 、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有： （ 1）水平力是設(shè)計主要因素 在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比，而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度的建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和 地震作用，其數(shù)值隨著結(jié)構(gòu)動力性能的不同而有較大的變化。 （ 2）側(cè)移成為控制指標(biāo) 與低層或多層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大，與建筑高度 H 的 4 次方成正比 (= qH4/ 8EI)。高層建筑隨著高度的增加，側(cè)向位移迅速增大，在設(shè)計中不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，還要求具有足夠的水平剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在限值之內(nèi)，否則會產(chǎn)生以下情況： 1). 因側(cè)移產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，尤其是豎向構(gòu)件，當(dāng)側(cè)向位移 增大時，偏心加劇，當(dāng)產(chǎn)生的附加內(nèi)力值超過一定數(shù)值時，將會導(dǎo)致房屋側(cè)塌。 2). 使居住人員感到不適或驚慌。 3). 使填充墻或建筑裝飾開裂或損壞，使機電設(shè)備管道損壞，使電梯軌道變形造成不能正常運行。 4). 使主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)大裂縫，甚至損壞。 （ 3）抗震設(shè)計要求更高 有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。 （ 4）減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要 從地基承載力考慮，如果在同樣基礎(chǔ)的情況下，減輕房屋自重意味著不增加基礎(chǔ)造價和處理措施，可以建更多層數(shù)，這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟效益。地震效應(yīng)與建筑的重量成正比，減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大，不僅使作用于結(jié)構(gòu)上的地震剪力大，還由于重心高地震作用傾覆力矩大，對豎向構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加軸力，從而造成附加彎矩更大。 （ 5）軸向變形不容忽視 采用框架體系和框架 剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸壓應(yīng)力往往大于邊柱的軸壓應(yīng)力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮 變形。當(dāng)房屋很高時，此種軸向變形的差異將會達(dá)到較大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁中間支座沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大。 （ 6）概念設(shè)計與理論計算同樣重要 抗震設(shè)計可以分為計算設(shè)計和概念設(shè)計兩部分。高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計計算是在一定的假想條件下進(jìn)行的，盡管分析手段不斷提高，分析的原則不斷完善，但由于地震作用的復(fù)雜性和不確定性，地基土影響的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)體系本身的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致理論分析計算和實際情況相差數(shù)倍之多，尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段之后，會出 現(xiàn)構(gòu)件局部開裂甚至破壞，這時結(jié)構(gòu)已很難用常規(guī)的計算原理去進(jìn)行分析。實踐表明，在設(shè)計中把握好高層建筑的概念設(shè)計也是很重要的。 2.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題 （ 1）高層建筑結(jié)構(gòu)的受力性能 對于一個建筑物的最初方案設(shè)計，建筑師考慮更多的是它的空間組成特點，而不是詳細(xì)地確定它的具體結(jié)構(gòu)。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的，所以在建筑設(shè)計的方案階段，就必須對主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設(shè)想。 對于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向 結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計基本原理都是相同的，但是隨著高度的不斷增加，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計的控制因素，其原因有兩個：其一，較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者筒體；其二，側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比，側(cè)向荷載對建筑物的效應(yīng)不是線性增加的，而隨建筑高度的增大迅速增大。例如：在所有條件相同時，在風(fēng)荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側(cè)向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應(yīng)更加明顯。在高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，高層建 筑的結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異。 （ 2）高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的扭轉(zhuǎn)問題 建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要求建筑三心盡可能匯于一點，即三心合一。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉(zhuǎn)破壞，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計時選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下，高層建筑扭轉(zhuǎn)作用的大小取決于質(zhì)量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結(jié)構(gòu)的扭 轉(zhuǎn)振動，應(yīng)使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下，由于城市規(guī)劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制，高層建筑不可能全部采用簡單平面形式，當(dāng)需要采用不規(guī)則 L 形、 T 形、十字形等比較復(fù)雜的平面形式時，應(yīng)將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，同時，在結(jié)構(gòu)平面布置時，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)處于對稱狀態(tài)。 （ 3）高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的側(cè)移和振動周期 建筑結(jié)構(gòu)的振動周期問題包含兩方面：合理控制結(jié)構(gòu)的自振周期；控制結(jié)構(gòu)的自振周期使其盡可能錯開場地的特征周期。 1)結(jié)構(gòu)自振周期 高層建筑的自振周期 (T1)宜在下列范圍內(nèi)： 框架結(jié)構(gòu)： T1= ( 0. 1 0. 15) N； 框 剪、框筒結(jié)構(gòu)： T1=(0.08 0.12)N； 剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)： T1=(0.04 0.10)N； N 為結(jié)構(gòu)層數(shù)。 結(jié)構(gòu)的第二周期和第三周期宜在下列范圍內(nèi)： 第二周期： T2=(1/3 1/5)T1；第三周期： T3=(1/51/7)T1。 2)共振問題 當(dāng)建筑場地發(fā)生地震時，如果建筑物的自振周期 和場地特征周期接近，建筑物和場地就會發(fā)生共振。因此在建筑方案設(shè)計時就應(yīng)針對預(yù)估的建筑場地特征周期，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的層數(shù)，選擇合適的結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系，擴大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別，避免共振的發(fā)生。 3) 水平位移特征 水平位移滿足高層規(guī)程的要求，并不能說明該結(jié)構(gòu)是合理的設(shè)計，還需要同時考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，地震力的大小與結(jié)構(gòu)剛度直接相關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度小，結(jié)構(gòu)并不合理時，由于地震力小則結(jié)構(gòu)位移也小，位移在規(guī)范允許范圍內(nèi)，此時并不能認(rèn)為該結(jié)構(gòu)合理。 因為結(jié)構(gòu)周期長、地震力小并不安全；其次，位移曲線應(yīng)連續(xù)變化，除沿豎向發(fā)生剛度突變外，不應(yīng)有明顯的拐點或折點。一般情況下剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎曲型，框架結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為剪切型；框 剪結(jié)構(gòu)和框 筒結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎剪型。 （ 4）高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的位移限值、剪重比及單位面積重度 1) 位移限值 在結(jié)構(gòu)整體計算的輸出結(jié)果中，結(jié)構(gòu)的側(cè)移（包括層間位移和頂點位移）是一個重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)值大小從一個側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)的整體剛度是否合適，過大或過小都說明結(jié)構(gòu)剛度過小或過大（或者體 現(xiàn)結(jié)構(gòu)兩個主軸方向的剛度是否均衡），以致要引起設(shè)計者對其中的結(jié)構(gòu)體系選擇、結(jié)構(gòu)的豎向及平面布置合理性的再思考。同一結(jié)構(gòu)用不同的計算程序計算，如果其層間位移數(shù)值差異很大，則有可能是其“ 層間位移 ” 定義不同所致，有的是指樓層形心位移，有的則專指考慮樓層轉(zhuǎn)動后的最大角點位移，后者通常比前者要大，形心位移對規(guī)則建筑有意義，而角點位移則更能反映結(jié)構(gòu)樓層的真實位移，因此角點位移是結(jié)構(gòu)工程師必須關(guān)注的一個數(shù)值。 2) 剪重比及單位面積重度 結(jié)構(gòu)的剪重比（也即水平地震剪力系數(shù)） =VEk/ G 是體現(xiàn)結(jié)構(gòu) 在地震作用下反應(yīng)大小的一個指標(biāo)，其大小主要與結(jié)構(gòu)地震設(shè)防烈度有關(guān)，其次與結(jié)構(gòu)體型有關(guān)。單位面積重度 0=G/A(kN/m2) 是衡量結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面取值是否合理和樓層荷載數(shù)據(jù)輸入是否正確的一個重要指標(biāo)。定性地分析比較0 值的大小，可得出以下結(jié)果：即一般內(nèi)部隔墻多的建筑（比如住宅）大于間隔墻少的建筑（比如敝開式辦公室）；層數(shù)多的建筑略大于層數(shù)少的同性質(zhì)建筑；設(shè)防烈度高的建筑大于設(shè)防烈度低的同性質(zhì)同規(guī)模建筑；剪力墻多的建筑大于剪力墻少的或者框架結(jié)構(gòu)的建筑。一般高層建筑的單位面積重度在 10 18kN/m2 之間，除個別較 特別的以外，多數(shù)在15kN/m2 左右。以上兩個指標(biāo)不僅在施工圖設(shè)計階段，而且在初步設(shè)計階段都是非常重要的數(shù)據(jù)，其數(shù)值正常與否從另一個側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)體系的選擇是否合適，結(jié)構(gòu)布置（包括構(gòu)件截面確定）是否合理，電算數(shù)據(jù)輸入是否正確，以及最后決定電算結(jié)果是否可信可用等，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計者對這兩個指標(biāo)切不可掉以輕心，更不可認(rèn)為是無關(guān)緊要的。 參考文獻(xiàn) 1 吳景祥 . 高層建筑設(shè)計 M. 北京：中國建筑工業(yè)出版社 , 1987. 2 包世華、方鄂華 . 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計 M. 北京：清華 大學(xué)出版社 , 1990. 文檔資料：淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾個問題 完整下載 完整閱讀 全文下載 全文閱讀 免費閱讀及下載 閱讀相關(guān)文檔 :工程造價審計風(fēng)險與防范對策探究 淺談城市道路給排水施工 淺談公路工程的施工管理 綠色生態(tài)商業(yè)建筑探析 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