我国高层建筑结构选型设计

【摘 要】随着国民经济的快速发展.人民生活水平的不断提高.功能俱全的高层建筑越来越多,而建筑师为了建筑立面美观和艺术上创新,常常使得建筑平面形状和立体的空间形状复杂不规则,建筑体型日趋多样化.本文针对日益复杂的高层建筑结构设计和选型问题进行了分析.

【关 键 词】高层建筑；结构选型；结构设计

随着高层建筑高度、规模、投资与复杂性等逐步增大,结构选型所面临的对象及其所处环境、需考虑解决的问题及所用的知识日趋复杂,结构选型的难度与重要性增大、时间增长,耗费的人力、财力、物力增加.高层建筑结构体系的选型通常要遵循一定的原则,它不仅要考虑到建筑设计、结构设计、建筑施工的要求,而且要从建筑设备安装、结构选材方面进行考虑.最后还需考虑各种结构体系的综合经济指标.选型不当带来的后果严重且难以修复,选型风险增大,传统的结构选型设计思想与方法将面临新的困难和挑战.因此,分析现代高层建筑发展给结构选型带来的新困难与新要求,重新认识结构选型设计问题的本质与规律,进一步明确结构选型的必要性与复杂性特征,既是现代高层建筑建设实践的要求,也是全面认识结构选型问题的需要.

1高层住宅的结构体系

1.1剪力墙承重体系

剪力墙是高层住宅最常用的结构体系,采用剪力墙结构可以减少非承重隔墙数量,一般用钢量比框剪结构少,而且室内无外露梁柱,用户比较喜欢.剪力墙结构体系是以一系列剪力墙纵横相交,既作为承重结构又作为分间隔断墙.墙体具有较大刚度.同时又由于墙体纵横交错．比框架结构中的刚度大得多.这是抵抗高层建筑风荷载及地震力水平荷载的有利条件,缺点是由于剪力墙组成许多小开间,虽然结构的整体性较强,但平面布局受到了严格的约束.如能使用大跨度楼板,则可使用轻质的灵活隔断,比较自由地组织内部空间.

1.2剪力墙结构体系

当框架体系的强度和刚度不能满足要求时,往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架,便形成了框架一剪力墙体系.在承受水平力时,框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系.在体系中框架体系主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平剪力.剪力墙的设置,增大了结构的侧向刚度,使建筑物的水平位移减小,同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀.

1.3筒形结构体系

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系,包括单筒体、筒体一框架、筒中筒、多束筒等多种型式.筒体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类型.实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体.空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件.筒体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑.

1.4其他结构体系

高层住宅的新结构体系大部分是探索性的,如筒中筒结构的发展、或者束状筒的组合,外筒桁架交错,以中心并筒悬挂式结构以及很高的桁架梁的体系等.

2高层建筑结构选型与建筑设计

在结构的功能要求被确定以后,即可根据功能要求进行结构的选型.例如对于高层建筑,在选型上可以考虑框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、框筒结构以及筒中筒结构等,在用材上可考虑钢结构、钢筋混凝土结构、组合结构等.对于大多数建筑物,工程造价中约有50％－70％用于结构工程,而且结构工程的施工工期也约占建筑物施工总工期的50％－70％.因此搞好结构工程对于建筑工程建设的质量控制、投资控制和进度控制有十分重要的作用.搞好结构工程的关键在于结构选型,如果选型不当,即使结构计算很精确,也有可能给结构的安全使用及耐久性带来无法弥补的缺陷,所以结构选型对于结构的全寿命优化有着举足轻重的作用.在非地震区的高层建筑,水平荷载以风荷载为主.所以非地震区高层建筑选型宜选用有利于抗风作用的建筑体型,也就是宜选用风压体型系数较小的建筑体型,比如圆形、椭圆形等.流线型的建筑体型以及由下往上逐渐变小的截锥形体型的体型系数相对较小,有利于抗风.在进行结构平面布置时,宜使用结构平面形状和刚度分布尽量均匀对称,以减轻风荷载作用下扭转效应对结构内力和变形的影响,并应限制结构高宽比,防止倾覆和失稳.地震区高层建筑的体系选型,实际上属于抗震概念设计范畴,它是在总结震害规律及工程经验的基础上,以宏观概念为指导,正确地解决高层建筑的总体方案,选择合理的结构体系,以达到合理抗震.通常应选择对抗震有利的地段,选用整体性较好的基础,立体结构应具有合理的地震作用传递途径,拥有多道抗震防线,具有必要的刚度和强度,具有合理的刚度和强度分布,避免竖面侧移刚度的突变.另外亦宜选择风压体型系数较小的形状并限制高宽比.对于低层、多层或高层建筑,其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的.但随着高度的增加,由于以下两个原因,竖向结构体系成为设计的控制因素：较大的竖向荷载要求有较大的柱、墙和井筒；更重要的是,侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多,必须精心设计.高层建筑的竖向结构体系从上到下一层层地传递累积的重力荷载,因此要求较大的柱或墙截面来承受这些荷载.同时,这些竖向结构体系还必须把风荷载或地震作用等侧向荷载传给基础.可是,与竖向荷载相比,侧向荷载对建筑物的效应不是线性的,而是随建筑物的增高而迅速增大.例如,在其它条件相同时,在风荷载作用下,建筑物基底上的倾覆力矩近似地与建筑物高度的平方成正比,而建筑物顶部的侧向位移与其高度的4次方成正比.地震的效应甚至更加显著.当低层或多层建筑的结构按恒载及活荷载设计时,柱、墙、楼梯或电梯井就自然能承受大部分水平力,问题主要是抗剪.在“矮”房子的框架中,可以填充一些墙板,甚至全部填满墙板的办法很容易获得适当的附加支撑效果,而不必另外再加大原来竖向荷载所需要的柱和梁的尺寸.高层建筑并非如此.这是因为在高层建筑中,主要问题是抗弯和抵抗变形,而不仅仅是抗剪.为了使高层建筑足以抵抗相当大的侧向荷载和侧移,常常不得不进行专门的结构布置,柱、梁、墙和板的截面总是要大一些.

3高层建筑结构设计中应注意的问题

3.1高度

《高层建筑混凝土结构技术规程》规定了各种常见结构体系的最大适用高度.随着建筑物高度的增加,许多影响因素将发生质变,即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围,因此对于超高限建筑物,应当采取科学谨慎的态度.

3.2材料的选用

在地震多发区,采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题.在结构体系或柱距变化时.需要设置加强层及转换层,要慎重选择其结构模式,尽量降低其本身刚度,以减少不利影响.在高层建筑中,建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土结构或钢结构,以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能.

综上所述,随着高层建筑进一步的发展,满足高层建筑的形式、材料、力学分析模型都将日趋复杂且多元化.为了革新高层建筑,体现其魅力,追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向.