高层建筑结构概念设计

摘 要：本文主要阐述了高层建筑结构概念设计的意义依据、设计特点及应用,强调了概念设计的重要性及灵活性,必须以正确的科学理念为基础,因地制宜创造出高效可行并适应工程情况的设计方案.

关 键 词：高层建筑结构,概念设计,因地制宜

近些年来,建筑业有了突飞猛进的发展,城市建设的发展中,高层建筑越来越广泛地应用.在不断的结构设计研究与实践中,人们积累了大量的实践经验.计算机技术的迅猛发展,为结构设计提供了快速、准确的设计计算工具.然而有很多设计还存在诸多缺陷,主要原因就是在总体方案和构造措施上未采用正确的构思,即未进行概念设计所致.

1概念设计

概念设计是运用人的思维和判断力,在设计前期从宏观上决定结构设计中的基本问题.一般指不经数值计算,是从结构概念入手,依据整体结构体系与结构子体系之间的力学关系、相对刚度关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想,从整体角度来确定建筑结构的总体布置和结构措施.

（1）概念设计的意义

由于结构方案设计阶段,是不需要借助于计算机来实现的,这就需要我们综合运用其掌握的结构概念,能做到结构功能与外部条件一致,充分展现先进的设计,发挥结构的功能并取得与经济性的协调.运用概念性近似估算方法,可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择.所得设计方案往往概念清晰、定性正确,避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算,具有较好的的经济可靠性能.同时,也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据.

（2）概念设计的依据

概念设计是以结构力学的基础原理和以往的成功经验为依据,符合工程客观规律和本质的方法；依据结构总体系与各分体系的工作原理和力学性质,设计和构造处理原则,计算程序的力学模型和功能,吸取或不断积累的实践经验.

（3）高层建筑结构设计的特点

①水平荷载成为决定因素；因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与楼房高度的一次方成正比,而水平荷载对结构产生的倾覆力矩,以及由此在竖构件中引起的轴力,是与楼房高度的两次方成正比.竖向荷载大体上是定值,而作为水平荷载的风荷载和地震作用,其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化.

②结构侧移成了关键控制因素；随着楼房高度的增加,水平荷载下结构的侧移变形迅速增大；因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内,以保证高层建筑结构有足够的刚度,避免因侧移过大而造成结构开裂、破坏、倾覆以及一些次要构件和装饰的损坏.

③抗震设计要求更高；有抗震设防的高层建筑结构设计,除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外,还必须使结构具有良好的抗震性能,做到小震不坏、大震不倒.

④结构延性是度量结构抗震性能重要指标：为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变现能力,避免倒塌,特别需要在构造上采取恰当的措施,来保证具有足够的延性.

2概念设计的步骤

（1）结构方案选用

一个成功的建筑设计,必须选择一个经济合理的结构方案,即要选择一个切实可行的结构形式和结构体系.结构体系应受力明确,传力简捷,同一结构单元不宜混用不同结构体系,地震区应力求平面和竖向规则.总之,必须对工程的设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析,并应充分考虑与建筑、水、暖、电等专业所需要相协调,在此基础上进行结构选型,确定结构方案,必要时还应进行多方案比较,择优选用.

（2）选择合适的基础方案

基础设计应根据工程地质条件,上部结构类型及荷载分布,相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析,选择经济合理的基础方案,设计时宜最大限度地发挥地基的潜力.一般情况下,同一结构单元不宜采用两种不同的类型.

（3）正确分析计算结果

在高层建筑结构分析和设计中普遍采用计算机技术,对计算的合理性、可靠性进行判断是十分必要的.但由于目前软件种类繁多,不同软件往往会导致不同的计算结果.因此工程师以力学概念和丰富的工程经验为基础,应对程序的适用范围、技术条件等全面了解；对结构的振型、周期、允许位移、地震作用的分布和楼层地震剪力的大小等,是否在合理的范围中,应做出合理判断.

（4）采取相应的构造措施

始终牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压弱拉原则”注意构件的延性性能,加强薄弱部位,注意钢筋的锚固长度,尤其是钢筋的直线段锚固长度,考虑温度应力的影响.除此之外,还应注意按均匀、对称、规整原则考虑平面和立面的布置综合考虑抗震的多道防线尽量避免薄弱层的出现,以及正常使用极限状态的验算等等都需要概念设计作指导.

3概念设计的应用

运用概念设计的思想,也使得结构设计的思路得到了拓宽.在结构设计过程中的结构布置应尽量简单、规则、对称,尽量使结构的刚度中心与质量中心重合,以减小扭转,结构的竖向布置要做到刚度均匀和连续,避免刚度突变和出现薄弱层.当有抗震设计要求时,结构的承载力和刚度宜自上而上逐渐减小,当上下层结构布置发生变化时,要设置结构转换层.对规范规定的不规则结构,应进行进一步的抗震验算,并对抗震薄弱部位采取有效的加强措施,对严重不规则的方案应不子采用.

在地震作用时必须充分领会和灵活运用抗震概念设计的优化准则和采取相应的构造措施.优化准则“强节弱杆”防止节点破坏先于构件；“强柱弱梁”防止杆系发生楼层倾移破坏机制,要求柱的抗弯能力高于梁的抗弯能力；“强剪弱弯”防止构件剪力破坏,要求杆件的受剪承载力高于受弯承载力；“强压弱拉”对杆件截而而言,为避免杆件在弯曲时发生受压区混凝土破裂的脆性破坏,使受拉区钢筋承载力低于受压混凝土受压承载力.

在结构设计过程中由于每种结构采用的材料各不相同,且所处的环境各不一样,所受的外力更难统一定性,因此可以运用刚柔结合概念,从概念的角度去做结构设计.例如结构的抗风设计和抗震设计是相矛盾的,抗震设计希望结构适当柔一点,能吸收震动的能量,而抗风设计则希望结构的刚度大点,在风的作用下动力效应及变形能小点.因此要设计个抗风和抗震性能都很好的高层建筑结构很不容易,我们可以运用刚柔结合概念方法进行分析与设计.

例如由美国工程院院士林同炎教授于1963年设计的尼加拉瓜美洲银行大楼,建筑高度61m,地上18层,地下2层,由4个柔性筒组成,在风荷载和地震作用下,核心筒具有足够的刚度和承载力；当遭遇强烈地震时,作为第一道防线的连梁屈服出现塑性绞,4个L形柔性筒作为独立的抗震单元,结构刚度降低,自振周期增大,阻尼增加,地震作用减小,结构仍具有预期的受力性能.1972年12月23日尼加拉瓜首都马那瓜市发生强烈地震,10000多栋楼房倒塌,该楼虽位于震中,承受比设计地震作用0.06g大6倍的地震作用0.35g而末倒塌,允分地验证了刚柔结合概念设计思想的正确性及实用性.引起了世界结构界同仁的高度重视.

4结束语

概念设计是从设计的基本原理,工程的客观规律和方法等出发进行综合考虑,并能尽快确定建筑结构的总体布置,为各专业设计提供相对可靠的结构数据.随着社会的进步,结构设计也在不断的进步,结构工程师和建筑师在设计中应以正确的科学理念为基础,让理论知识和实践相结合,探索新的思路,设计出更加适合经济可靠的方案,为每一个崭新的工程奠定基础,把概念设计推向主流.