高层建筑结构设计的特点趋势

摘 要：高层建筑能够节约城市土地,缩短公用设施和市政管网的开发周期,从而减少市政投资,加快城市建设,这些优势特点使得高层建筑在近些年得到了快速的发展.文章主要对高层建筑结构的特点及其发展趋势进行了探析.

关 键 词：高层建筑建筑结构特点

世界各城市的生产和消费的发展达到一定程度后,莫不积极致力于提高城市建筑的层数.实践证明,高层建筑可以带来明显的社会经济效益.当高层建筑的层数和高度增加到一定程度时,它的功能适用性、技术合理性和经济可行性都将发生质的变化.与低层建筑相比,在设计上、技术上都有许多新的问题需要加以考虑和解决.

1.高层建筑结构的特点

高层建筑结构与低层建筑结构以受竖向载荷为主不同,需同时承受水平和竖向的荷载或作用,例如在遇到巨大风力和地震力时所产生的水平侧向力.在低层建筑结构中,竖向荷载往往就是设计的控制因素,但在高层建筑结构中,较大的建筑高度造成了完全不同的受力情况,水平荷载不仅是主要荷载的一种,跟竖向荷载共同起作用,而且往往还成为设计中的控制因素.因此,在水平荷载作用下,若高层建筑结构的抵抗侧向变形能力或侧向刚度不足,将会产生过大的侧向变形,不仅使人产生不舒服感觉,而且会使结构在竖向荷载作用下产生附加内力,会使填充墙、建筑装修和电梯轨道等怎么写作设施出现裂缝、变形,甚至会导致结构性的损伤或裂缝,从而危及结构的正常使用和耐久性.因此设计高层建筑结构时,不仅要求结构有足够的强度,而且要求结构有合理的刚度,使水平荷载所产生的侧向变形限制在规定的范围内、同时,有抗震设防要求的高层建筑还应具有良好的抗震性能,使结构在可能的强震作用下当构件进入屈服阶段后,仍具有良好的塑性变形能力,即具有良好的延性性能.

高层建筑还具有建筑功用上的特点.人们常说建筑是凝固的音乐,优美的高层建筑犹如艺术品,成为城市的标志景观.建筑同时是时代跳动的脉搏,高层建筑占地面积小,符合了地价昂贵时代的需求,它可以节约建设用地或获得史多的空闲地面,以作为绿化等环境用地,并因向高空方向发展而缩短了城市道路和各种管线的长度,减少了基础设施的投资、当然,大量高层建筑的建设,也会给城市带来不利的影响,如人口会密集化而造成交通拥挤问题；城市局部热场发生不利的变化以及地质的沉陷、消防的复杂化等问题.综合高层建筑的上述受力特点可知,与低层结构不同,高层建筑结构在强度、刚度和延性三方面要满足更多的设计要求、抗侧力结构的设计成为高层建筑结构设计的关键.

2.高层建筑结构发展特点及趋势分析

高层建筑结构所需承担的载荷和倾覆力矩将越来越大,在确保高层建筑物具有足够可靠度的前提下,为了进一步节约材料和降低造价,高层建筑结构构件将不断的更新,设计理念也将不断发展.

2.1结构材料高强度化

随着建筑高度的增加,结构面积占建筑使用面积的比例越来越大,为了改善这一不合理状况,采用高强度钢和高强度混凝土势在必行.随着高强混凝土材料的研制和不断发展,混凝土的强度等级和韧性性能也不断得到改善.C80和C100强度等级的混凝土已经在超高层建筑中得到广泛使用.可以减少结构构件的尺寸,减少构件的自重,必将对高层建筑的发展产生严重的影响.高强度且具有良好可焊性的厚钢板将成为今后高层建筑结构的主要用刚,而耐火钢材FR钢的出现为钢结构的抗火设计提供了方便.采用FR钢材制作高层钢结构时,其防火保护层的厚度可大大减不,从而降低钢结构的造价,使钢结构更具竞争力.

2.2结构形体多样化

城市建设的发展,使得人们对建筑的功能需求更加深入,对建筑的体型要求也逐渐呈现多样化.高层建筑结构的复杂度和不规则度将会不断的呈现,例如建筑结构的平面形状会出现：矩形、方形、八角形、扇形、圆形、菱形弧形、Y形、L形等各种吸引人们眼球的形状,立面出现各种类型转换、外挑、内敛、大底盘多塔楼、连体建筑、立开大洞等复杂体型的建筑.

2.3建筑结构综合化

经合理设计的组合结构可取得经济合理、技术性能（如抗震性能）优良的效果,且易满足高层建筑的侧向刚度的需求,可建造比钢筋混凝土结构更高的建筑.因此在较高的建筑中,混合结构往往仍是合理、可行的结构方案,今后建造混合结构的比率将会越来越大.在强震国家日本,组合结构高层建筑发展迅速,其数量已超过混凝土结构的高层建筑.目前应用较为广泛的有：外包混凝土组合柱、钢管混凝土组合柱以及外包混凝土的钢管混凝土双重组合柱等多种组合结构.特别是由于钢管内混凝土处于三轴受压状态,能提高构件的竖向承载能力,从而可以节约大量钢材.巨型组合桩首次在香港的中国银行大厦中应用,获得成功并取得了很大的经济效益,上海金茂大厦构中也成功地应用了巨型组合结构.随着混凝土强度的提高以及结构构造施工和施工技术上的改进创新,组合结构在高层建筑中应用将进一步扩大.巨型框架结构柱体体系以其刚度大,在内部便于设置大空间等优点,也将得到更多的应用.例如,上海证券大厦和香港的汇丰银行大厦.多束筒结构体系在实际工程中的应用,已表明该结构体系在适应建筑场地、丰富建筑造型、满足多种功能和减不剪力滞后效应等诸多方面的优点,多束筒结构体系也将在超高层建筑结构实际工程中扩大应用.在钢筋混凝结构基础上,充分发挥钢结构优良的抗拉性能以及混凝土结构的抗压性能,进一步减轻结构重量,提高结构延展性.

2.4结构减震控制智能化

高层建筑结构必须妥善处理因风力、地震、温度变化和基础沉降带来的变形节点,而构造建筑结构的减震正是解决这一问题的关键.在高层建筑中的被动耗能减震有耗能支撑、带竖缝耗能剪力墙,被动调谐质量阻尼器以及安装各种被动耗能阻尼器等；主动减震则是计算机控制的,由各种驱动器驱动的调谐质量阻尼器对结构进行主动控制和混合控制的各种作用过程.结构主动减震的基本原理是：通过安装在结构上的各种驱动装置和传感器,与计算机相连接,计算机系统对震动和结构反应进行实时分析,向驱动装置发出信号,使驱动装置对结构不断地施加各种与结构反应相反的作用,以达到在地震或风的作用下减小结构反应的目的.目前,在美国、日本等国家各种耗能减震控制装置已在高层建筑结构中得以应用.在中国有部分高层建筑工程中应用了这种技术.随着人类进入信息时代,计算机、通讯设备以及各类办公电子设备不受震动干扰而安全平稳地运行,具有重要现实意义.

3.结束语

现代建筑功能趋于多样性,高层建筑的体形和结构体系趋向复杂多变,趋向立体化,应运而生新的设计概念和结构技术的深化.高层建筑在迅猛发展的同时,对其建筑结构及结构设计的研究也取得了相应的进步.科学技术的发展,高强轻质材料的出现以及机械化、电气化在建筑中的实现等,为高层建筑的发展提供了技术条件和物质基础.可以想见,未来的高层建筑结构不仅在可靠度与安全性能上大大增强,其科技含量也会越来越高.