超高层建筑的结构构想和设计

摘 要：改革开放后,我国经济快速发展,为了适应城市化进程,在日渐紧张的土地问题方面,建造超高层建筑的设想和实施成为各界专家的共识.本文结合建筑的基本知识,对新出现的高层建筑进行了仔细的研究,分析了其建筑设想和实际实施过程中出现的问题.

关 键 词：超高层建筑；设计；构想

中图分类号：TU2文献标识码：A

根据我国法律规定：建筑高度超过100m时,不论住宅及公共建筑均为超高层建筑.超高层建筑的建造之所以发展速度快,是因为高层建筑能在有效面积的土地上,得以发挥最大的使用效益.尽管建造超高层建筑需要的费用较高,但在我国的城市建设中,随着城市化日益快速发展的需要,为土地使用率的提高,必然会使超高层建筑快速发展.

1超高层建筑的不同之处

超高层建筑与一般高层建筑结构设计的差异

1.1从房屋高度上,超高层建筑的房屋高度在100m以上直至有几百米,而一般高层建筑的房屋高度则是在100m以下.

1.2超高层建筑由于消防的要求,须设置避难层,以保证遇到火灾时人员疏散的安全.对于这些安放有设备设计除考虑实际的荷载之外,更需考虑设备的振动对相邻楼层使用的影响.同时,这些楼层的结构设计,为提高结构的整体刚度,可用来设置结构加强层.

1.3超高层建筑的结构类型选择上相对要广,除了钢筋混凝土结构外,还有全钢结构和混合结构.而一般高层建筑结构除了特殊条件需要者外,多为钢筋混凝土结构.

1.4超高层建筑的平面形状多为方形或近似,对于矩形平面其长宽比也是在2以内,尤其抗震设防的高烈度地区更应采用规则对称平面.否则,在地震作用时由于扭转效应大,易受到损坏.而一般高层建筑平面形状选择余地要大.

1.5超高层建筑的基础形式除等厚板筏基和箱基外,由于平面为框架.核心筒或筒中筒,同时,由于基底压力大要求地基承载力很高,除了基岩埋藏较浅可选择天然地基外,一般均采用桩基.

1.6房屋高度超过150m的超高层建筑结构应具有良好的使用条件,既要满足舒适度,结构顶点最大加速度的控制也要满足相关规定要求,但是高层建筑设计不需要考虑上述问题.

1.7只有经过国内专家的评估和论证,必要时还须进行振动模型试验,才能确保工程的安全.而一般高层建筑的房屋高度多在规范容许高度范围并已有大量的科研成果和实际工程经验,除非是特别不规则结构,是不需要进行抗震设防专项审查的.

2超高层建筑结构方案

2.1抗震设防烈度是超高层结构体系选用首要考虑因素《抗规》中规定,对于房屋高度超过100m的高层建筑,不同的抗震设防烈度,房屋高度也是不相同的.显然,抗震设防烈度6度最有利于建造超高层建筑.因为地震作用太大,要满足三个水准的设防性能目标,其结构构件截面尺寸大,用材指标很高,并导致工程造价也相当高.

2.1.1超高层建筑方案应受到结构方案的制约,建筑专业是民用建筑设计中的龙头专业,一个具有较强建筑方案能力和有经验的建筑师在建筑方案时应考虑到建筑结构,使得结构方案具有可实施性.而对于超高层建筑方案更应首先就要考虑结构方案的可行性,保证居民的生命和财产安全.

2.1.2超高层建筑结构体系中结构类型的选择,应该根据拟建场地的岩土工程地质条件和抗震性能目标的确定及经济的合理性综合考虑.拟建场地的岩土工程地质条件,是合理选择超高层建筑的结构类型时要考虑的因素之一.

2.2抗震设计时,所确定的抗震性能目标是超高层建筑结构选型应考虑的另一因素.一般而言,超高层建筑结构设计普遍存在结构超限.一般抗震设计的性能目标要求竖向构件承载力达到中震不屈服或剪力墙底部加强区达到抗剪中震弹性,受弯及框架柱达到中震不屈服.

2.2.1采用合理的结构类型,应考虑经济上的合理性.通常从工程造价上比较,钢筋混凝土结构最低,其次是混合结构,最高则是全钢结构.一般混合结构的采用应考虑有利于降低工程造价.另外,超高层建筑结构中的竖向承重构件由于截面积大而会使建筑有效的使用面积减小.

2.2.2超高层建筑结构类型的选用,施工的合理性应是考虑的又一因素超高层建筑的房屋高度多在150m以上.房屋高度愈高,施工难度愈大,施工周期也愈长.一般钢筋混凝土结构高层建筑出地面以上的楼层施工进度慢,施工难度很大.所以,不同结构类型,施工进度各不相同.因此,设计应根据不同的房屋高度和业主对工程施工进度的要求,综合考虑以选择合理的结构类型.

2.3超高建筑结构类型中的混合结构设计

采用型钢混凝土梁,粱的纵筋要穿越柱的腹板或焊接在设置于型钢柱翼缘的钢牛腿上,而型钢柱的箍筋除穿越柱腹板外还要穿越型钢梁的腹板.它与全钢结构相比,即使加上钢筋用量后总用钢量也要低,相应总的工程费用也低.同时,由于混合结构的主要抗侧构件是钢筋混凝土核心筒,其抗侧刚度大于钢支撑,这就是混合结构目前广泛用于超高层建筑结构的主要原因.

2.4超高层建筑结构的基础设计

超高层建筑一般多设二层或更多层的地下室,其基础的埋置深度均能满足稳定要求.而对于基岩埋藏较浅无法建造多层地下室不能满足埋置深度要求的,则可设置嵌岩锚杆来满足稳定要求.

2.4.1天然地基基础.对于基底砌置在砂、卵石层的建筑,多是采用等厚板筏形基础.但也有工程采用箱形基础.

2.4.2桩基基础的设计.超高层建筑的桩基础,由于基底压力大,要求的单桩竖向承载力较高,因此,均采用大直径钻孔灌注桩或有条件的工程场地采用大直径人工挖孔扩底灌注桩.桩端持力层的选择应考虑层厚较大和密实的砂、卵石层或中风化、微风化基岩,以减少桩端沉降变形.

3超高层建筑的技术及措施

3.1连廊弱连接支座留足连廊两端活动空间确保不出现下坠,采用抗拉铰接万向支座,并用侧面限位器固定,确保水平荷载直接传递到塔楼主结构.支承连廊的框架柱抗震等级提高为一级,以确保安全性.

3.2连廊及顶部塔楼结构抗震加强措施.连廊采用空间钢结构桁架,钢筋混凝土楼板的形式,并进行专门设计.顶部莲花座高度较高且外形复杂,采用将芯筒适度上升,外复钢结构形成莲花座外形的结构设计,能极大地减轻自重保证结构强度,从而有效克服鞭梢效应,且施工方便.

3.3平面扭转不规则抗震加强措施.主要采取调整抗侧力构件的布置,使质心与刚心尽量重合,并加大结构的扭转刚度,以减小结构扭转效应,使结构各楼层的位移比限制在规定范围之内.

结语

超高层建筑双塔结构是一种非常复杂的结构体系,如何科学合理地设计超高层建筑结构已成为一个急需解决的问题.超高层建筑应采用合理的计算模型,通过多种分析进行比较,证明结构设计是可行的,因此设计者要足够重视抗震设计.