高层建筑结构的概念设计

城市中的高层建筑是反映这个城市经济繁荣和社会进步的重要标志,当人们谈起举世闻名的摩天大楼时,往往和芝加哥、纽约这样的国际大都市联系在一起,足以说明高层建筑对城市社会形象的贡献.进入20世纪90年代以来,随着社会与经济的蓬勃发展,特别是城市建设的发展,高层建筑在城市中应运而升.

一、高层建筑的特点

在相同的建设场地中,建造高层建筑可以获得更多的建筑面积,这样可以部分解决城市用地紧张和地价高涨的问题.设计精美的高层建筑还可以为城市增加景观,如马来西亚首都的石油大厦和上海的金茂大厦等.但高层建筑太多、太密集也会对城市带来热岛效应,玻璃幕墙过多的高层建筑群还可能造成光污染现象.

在建筑面积与建设场地面积相同比值的情况下,建造高层建筑比多层建筑能够提供更多的空闲地面,将这些空闲地面用作绿化和休息场地,有利于美化环境,并带来更充足的日照、采光和通风效果.例如在新加坡的新建居住区中,由于建造了高层建筑群,留下了更多地面空间,可以更好地建设城市绿化和人们休闲活动空间.

高层建筑中的竖向交通一般由电梯来完成,这样就会增加建筑物的造价,从建筑防火的角度看,高层筑的防火要求要高于中低层建筑,也会增加高层建筑的工程造价和运行成本.

二、高层建筑的风荷载的计算

对一些较柔的高层建筑,风荷载是结构设计的控制因素随着建筑物高度的增高,风荷载的影响越来越大.高层建筑中除了地震作用的水平力以外,主要的侧向荷载是风荷载,在荷载组合时往往起控制作用.因此,高层建筑在风荷载作用下的结构分析与设计引起了研究人员和工程师们的重视.

基本风压值wo系以当地比较空旷平坦地面上离地lOm高统计所得的50年一遇10rain平均最大风速vo为标准,按WO　1／2pv确定的风压值.它应根据《荷载规范》中附表D．4采用,但不得小于0．3kN.对一般的高层建筑,用《荷载规范》中所给的wO乘以1．1后采用；对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑,其基本风压值应按年重现期的风压值采用.

风荷载体型系数确定风荷载体型系数us是一个比较复杂的问题,它不但与建筑的平面外形、高宽比、风向与受风墙面所成的角度有关,而且还与建筑物的立面处理、周围建筑物密集程度及其高低等有关.当风流经建筑物时,对建筑物不同部位会产生不同的效果,即产生压力和吸力.空气流动产生的涡流,对建筑物局部则会产生较大的压力或吸力.

①整个迎风面上均受压力,其值中部最大,向两侧逐渐减小.沿高度方向风压的变化很小,在整个建筑物高度的言一号处稍大,风压分布近似于矩形.②整个背风面上还受吸力,两侧大、中部略小,其平均值约为迎风面风压平均值的75％左右.沿高度方向,风压的变化也很小,更近似于矩形分布.③整个侧面,在正面风力作用下,全部受吸力,约为迎风面风压的80％左右.

风荷载体型系数一般可按下述规定采用：

①圆形和椭圆平面建筑,风荷载体型系数取0．8.②正多边形及截角三角形平面建筑风荷载体型系数US由下式计算：

三、高层建筑结构体系组成部分

随着层数和高度的增加,水平作用对高层建筑结构安全的控制作用更加显着,包括地震作用和风荷载.高层建筑的承载能力、抗侧刚度、抗震性能、材料用量和造价高低,与其所采用的结构体系密切相关.不同的结构体系,适用于不同的层数、高度和功能.

框架结构体系框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中,由梁和柱通过节点构成承载结构,框架形成可灵活布置的建筑空间,使用较方便.钢筋混凝土框架按施工方法的不同.又可分为：①梁、板、柱全部现场浇筑的现浇框架；②楼板预制,梁、柱现场浇筑的现浇框架；③　梁、板预制,柱现场浇筑的半装配式框架；④梁、板、柱全部预制的全装配式框架等.

随着结构高度增加,水平作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显着增加,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也趋于不合理.因此在使用上层数受到限制.

框架结构抗侧刚度较小,在水平力作用下将产生较大的侧向位移.

其中一部分是结构弯曲变形,即框架结构产生整体弯曲,由柱子的拉伸和压缩所引起的水平位移；另一部分是剪切变形,即框架结构整体受剪,层间梁柱杆件发生弯曲而引起的水平位移.当高宽比H／B≤4时,框架结构以剪切变形为主,弯曲变形较小而可忽略,其整体位移曲线呈剪切型,特点是结构层间位移随楼层增高而减小.

由于框架构件截面较小,抗侧刚度较小,在强震下结构整体位移和层间位移都较大,容易产生震害.此外,非结构性破坏如填充墙、建筑装修和设备管道等破坏较严重.因而其主要适用于非抗震区和层数较少的建筑；抗震设计的框架结构除需加强梁、柱和节点的抗震措施外　不需注意填充墙的材料以及填充墙与框架的连接方式等,以避免框架变形过大时填充墙的损坏.

剪力墙结构体系剪力墙结构体系于钢筋混凝土结构中,由墙体承受全部水平作用和竖向荷载.根据施工方法的不同,可以分为：

全部现浇的剪力墙；全部用预制墙板装配而成的剪力墙；内墙现浇、外墙为预制装配的剪力墙.

在承受水平力作用时,剪力墙相当于一根下部嵌固的悬臂深梁.剪力墙的水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成.高层建筑剪力墙结构,以弯曲变形为主,其位移曲线呈弯曲形,特点是结构层间位移随楼层增高而增加,．3简体结构体系简体结构为空间受力体系.筒体的基本形式有三种：实腹筒、框筒及桁架筒.用剪力墙围成的筒体称为实腹筒.在实腹筒的墙体上开出许多规则的窗洞所形成的开孔简体称为框筒,它实际上是由密排柱和刚度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的简体.如果简体的四壁和斜杆形成的桁架组成,则成为桁架筒.