高層建筑結構的設計特點及體系探析

1、高層建筑結構的設計特點及體系探析    對高層建筑設計而言。設計前期的初步結構方案需通過結構軟件的計算分析。判斷該方案是否正確與合理。從而對其進行有針對性的修改和優(yōu)化。文章結合具體實例。介紹了分析判斷計算結果的主要幾項內(nèi)容及可采取的相應優(yōu)化措施，以提高設計的準確性和工作效率。隨著我國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，高層建筑的數(shù)量日益增多。這些高層建筑大多采用鋼筋混凝土剪力墻或剪力墻一簡體結構。對高層鋼筋混凝土結構設計而言，在設計前期，通過建筑師與結構工程師的密切配合，正確運用結構概念設計理論，優(yōu)選結構體系，并進行總體結構布置，可以初步得出一個性能良好、造價經(jīng)濟的結

2、構方案，為后續(xù)結構設計打好基礎。然而，初步設計方案的優(yōu)劣還需通過對分析軟件的計算結果進行研究和判斷，來確定結構設計是否合理，以及是否需要進一步優(yōu)化。因此，對計算結果進行分析研究，是一項很重要的工作。本文結合某高層住宅設計的實例，對分析軟件SATWE的計算結果的幾項主要內(nèi)容進行分析判斷，并據(jù)此對初步結構方案進一步優(yōu)化，提高工作效率和設計的準確性。1.高層建筑結構設計特點1.1水平荷載成為決定因素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對某

3、一定高度樓房來說，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(shù)值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。1.2軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調(diào)整；另外對構件剪力和側移產(chǎn)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。1.3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

4、構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內(nèi)。1.4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?shù)拇胧?，來保證結構具有足夠的延性。2.高層建筑的結構體系2.1框架剪力墻體系。當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結構體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力。框架剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。

5、剪力墻的設置，增大了結構的側向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內(nèi)力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。2.2剪力墻體系。當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結構，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結構體系，能建高度大于框架或框架剪力墻體系。2.3筒體體系。凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統(tǒng)稱為筒體體系，包括單筒體、筒體框架、筒中筒、多束筒等多種型式。筒體是一種

6、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。3.高層建筑結構靜力分析方法3.1 框架剪力墻結構框架剪力墻結構內(nèi)力與位移計算的方法很多，大都采用連梁連續(xù)化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉(zhuǎn)角相等的位移協(xié)調(diào)條件，可以建立位移與外荷載之間關系的微分方程來求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同。框架剪力墻的機算方法，通常是將結構轉(zhuǎn)化為等效壁式框架，采用桿系結構矩

7、陣位移法求解。3.2剪力墻結構剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。不同類型的剪力墻，其截面應力分布也不同，計算內(nèi)力與位移時需采用相應的計算方法。剪力墻結構的機算方法是平面有限單元法。此法較為精確，而且對各類剪力墻都能適用。但因其自由度較多，機時耗費較大，目前一般只用于特殊開洞墻、框支墻的過渡層等應力分布復雜的情況。3.3筒體結構筒體結構的分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為三類：等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效連續(xù)化方法是將結構中的離散桿件作等效連續(xù)化處理。等效

8、離散化方法是將連續(xù)的墻體離散為等效的桿件，以便應用適合桿系結構的方法來分析。比等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計算模型是完全按三維空間結構來分析筒體結構體系，其中應用最廣的是空間桿薄壁桿系矩陣位移法。3.4混凝土構件配筋簡圖任何一個建筑結構都要同時承受垂直荷載和風產(chǎn)生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。在較低樓房中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，對結構的影響也就較??；但在較高樓房中盡管豎向荷載仍對結構設計產(chǎn)生著重要影響，水平荷載卻起著決定性的作用。隨著樓房層數(shù)的增多，水平荷載愈益成為結構設計中的控制因素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件

9、中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中所引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面對某一高度樓房來說，豎向荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化?；炷翗嫾浣詈唸D是反映梁、柱、墻配筋信息的，設計較為合理的結構一般不會有太多的超限截面，基本上應符合以下規(guī)律。柱、墻大部分為構造配筋，剪力墻符合截面抗剪要求；梁基本上無超筋，截面不滿足抗剪要求或抗扭超限不多。在本結構的計算結果中，除個別的梁有超筋現(xiàn)象外(地震作用引起)。均滿足上述要求，說明結構構件布置及截面尺寸選取是合適的，僅對個別超筋梁截面進行

10、調(diào)整?？傊?，在高層建筑結構設計中，首先運用概念設計理論選定建筑適合的結構體系及結構構件布置，然后應用分析軟件對初步結構方案進行計算，按上述幾個方面內(nèi)容對計算結果進行分析研究，可判斷出原結構設計不合理之處，這樣對建筑結構方案可進行有針對性的修改和優(yōu)化，使結構設計更趨向合理和經(jīng)濟。參考文獻：1徐至鈞，趙錫宏.超高層建筑結構設計與施工M.機械工業(yè)出版社2007.2周云.高層建筑結構設計M.武漢理工大學出版社2006.作者簡介：武洪（1978），男，重慶人，工程師。（作者單位：重慶市軌道交通設計研究院有限責任公司）    你可能感興趣的論文  &#