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淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2010-04-22 08:53  鐘勇華  【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  摘要:進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展,特別是隨著城市建設(shè)的發(fā)展,高層建筑在城市中應(yīng)運(yùn)而生。城市中的高層建筑成為反映城市經(jīng)濟(jì)繁榮和社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志。文章從高層建筑的特點(diǎn)出發(fā),對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的基本要求等方面進(jìn)行了闡述分析。

  關(guān)鍵詞:高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);規(guī)則結(jié)構(gòu);載荷;抗震

  一、高層建筑的特點(diǎn)

  1.在相同的建設(shè)場(chǎng)地中,建造高層建筑可以獲得更多的建筑面積,這樣可以部分解決城市用地緊張和地價(jià)高漲的問(wèn)題。設(shè)計(jì)精美的高層建筑還可以為城市增加景觀,如馬來(lái)西亞首都的石油大廈和上海的金茂大廈等。但高層建筑太多、太密集也會(huì)對(duì)城市帶來(lái)熱島效應(yīng),玻璃幕墻過(guò)多的高層建筑群還可能造成光污染現(xiàn)象。

  2.在建筑面積與建設(shè)場(chǎng)地面積相同比值的情況下,建造高層建筑比多層建筑能夠提供更多的空閑地面,將這些空閑地面用作綠化和休息場(chǎng)地,有利于美化環(huán)境,并帶來(lái)更充足的日照、采光和通風(fēng)效果。例如在新加坡的新建居住區(qū)中,由于建造了高層建筑群,留下了更多地面空間,可以更好地建設(shè)城市綠化和人們休閑活動(dòng)空間。

  3.高層建筑中的豎向交通一般由電梯來(lái)完成,這樣就會(huì)增加建筑物的造價(jià),從建筑防火的角度看,高層筑的防火要求要高于中低層建筑,也會(huì)增加高層建筑的工程造價(jià)和運(yùn)行成本。

  二、高層建筑結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)

  隨著層數(shù)和高度的增加,水平作用對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)安全的控制作用更加顯著,包括地震作用和風(fēng)荷載。高層建筑的承載能力、抗側(cè)剛度、抗震性能、材料用量和造價(jià)高低,與其所采用的結(jié)構(gòu)體系密切相關(guān)。不同的結(jié)構(gòu)體系,適用于不同的層數(shù)、高度和功能。

  1.框架結(jié)構(gòu)體系?蚣芙Y(jié)構(gòu)體系一般用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,由梁和柱通過(guò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成承載結(jié)構(gòu),框架形成可靈活布置的建筑空間,具有較大的室內(nèi)空間,使用較方便。由于框架梁柱截面較小,抗震性能較差,剛度較低,建筑高度受到限制;剪切型變形,即層間側(cè)移隨著層數(shù)的增加而減;框架結(jié)構(gòu)主要用于不考慮抗震設(shè)防、層數(shù)較少的高層建筑中。在考慮抗震設(shè)防要求的建筑中,應(yīng)用不多;高度一般控制在70m以下。

  2.剪力墻結(jié)構(gòu)體系。利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu),稱為剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)體系于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,由墻體承受全部水平作用和豎向荷載。

  現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性好,剛度大,在水平荷載作用下側(cè)向變形小,承載力要求也容易滿足;剪力墻結(jié)構(gòu)體系主要缺點(diǎn):主要是剪力墻間距不能太大,平面布置不靈活,不能滿足公共建筑的使用要求。此外,結(jié)構(gòu)自重往往也較大。

  當(dāng)剪力墻的高寬比較大時(shí),是一個(gè)受彎為主的懸臂墻,側(cè)向變形是彎曲型,即層間側(cè)移隨著層數(shù)的增加而增大。剪力墻結(jié)構(gòu)在住宅及旅館建筑中得到廣泛應(yīng)用。因此這種剪力墻結(jié)構(gòu)適合于建造較高的高層建筑。

  根據(jù)施工方法的不同,可以分為:全部現(xiàn)澆的剪力墻;全部用預(yù)制墻板裝配而成的剪力墻;內(nèi)墻現(xiàn)澆、外墻為預(yù)制裝配的剪力墻。

  在承受水平力作用時(shí),剪力墻相當(dāng)于一根下部嵌固的懸臂深梁。剪力墻的水平位移由彎曲變形和剪切變形兩部分組成。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu),以彎曲變形為主,其位移曲線呈彎曲形,特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)層間位移隨樓層增高而增加。

  3.框架—剪力墻結(jié)構(gòu)(框架—筒體結(jié)構(gòu))體系。在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置部分剪力墻,使框架和剪力墻兩者結(jié)合起來(lái);取長(zhǎng)補(bǔ)短;共同抵抗水平荷載,就組成了框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。如果把剪力墻布置成筒體,又可稱為框架—筒體結(jié)構(gòu)體系。

  框架—剪力墻(筒體)結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力都大大提高了,在地震作用下層間變形減小,因而也就減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(隔墻及外墻)的損壞,這樣無(wú)論在非地震區(qū)還是地震區(qū),這種結(jié)構(gòu)型式都可用來(lái)建造較高的高層建筑,目前在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。

  4.筒體結(jié)構(gòu)。單個(gè)筒體可分為實(shí)腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墻組成空間薄壁筒體,即為實(shí)腹筒;框架通過(guò)減小肢距,形成空間密柱框筒,即框筒;筒壁若用空間桁架組成,則形成桁筒。實(shí)際結(jié)構(gòu)中除煙囪等構(gòu)筑物外不可能存在單筒結(jié)構(gòu),而常常以框架—筒體結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、多筒體結(jié)構(gòu)和成束筒結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)。

  5.巨型結(jié)構(gòu)。巨型結(jié)構(gòu)一般由兩級(jí)結(jié)構(gòu)組成。第一級(jí)結(jié)構(gòu)超越樓層劃分,形成跨若干樓層的巨梁、巨柱(超級(jí)框架)或巨型衍架桿件(超級(jí)衍架),以這巨型結(jié)構(gòu)來(lái)承受水平力和豎向荷載,樓面作為第二級(jí)結(jié)構(gòu),只承受豎向荷載并將荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力傳遞到第一級(jí)結(jié)構(gòu)上。常見(jiàn)的巨型結(jié)構(gòu)有巨型框架結(jié)構(gòu)和巨型桁架結(jié)構(gòu)。

  不同的結(jié)構(gòu)體系所具有的強(qiáng)度和剛度是不一樣的,因而它們適合應(yīng)用的高度也不同。一般說(shuō)來(lái),框架結(jié)構(gòu)適用于高度低,層數(shù)少,設(shè)防烈度低的情況;框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)可以滿足大多數(shù)建筑物的高度要求;在層數(shù)很多或設(shè)防烈度要求很高時(shí),可用筒體結(jié)構(gòu)。

  三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

  1.結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。

 。1)不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系。建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求,不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。高層建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系,應(yīng)符合下列要求:

  1)應(yīng)具有必要的承載能力、剛度和變形能力;

  2)應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失承受重力荷載、風(fēng)荷載和地震作用的能力;

  3)對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位,應(yīng)采取有效措施予以加強(qiáng)。

 。2)高層建筑的結(jié)構(gòu)體系尚宜符合下列要求:

  1)結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置宜具有合理的剛度和承載力分布,避免因局部突變和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而形成薄弱部位;

  2)宜具有多道抗震防線。

  2.規(guī)則結(jié)構(gòu)的主要特征。建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱,并應(yīng)具有良好的整體性;建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則,結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化,豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小,避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。

  規(guī)則結(jié)構(gòu)一般指:體型(平面和立面)規(guī)則,結(jié)構(gòu)平面布置均勻、對(duì)稱并具有較好的抗扭剛度;結(jié)構(gòu)豎向布置均勻,結(jié)構(gòu)的剛度、承載力和質(zhì)量分布均勻,無(wú)突變。

  3.規(guī)則平面布置需滿足的要求。結(jié)構(gòu)平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載,受力明確,傳力直接,力爭(zhēng)均勻?qū)ΨQ,減少扭轉(zhuǎn)的影響。在地震作用下,建筑平面要力求簡(jiǎn)單規(guī)則,風(fēng)力作用下則可適當(dāng)放寬?拐鹪O(shè)防的高層建筑,平面形狀宜簡(jiǎn)單、對(duì)稱、規(guī)則,以減少震害。

  在高層建筑的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi),宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則,剛度和承載力分布均勻。不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的平面布置。

  抗震設(shè)計(jì)的B級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑,其平面布置應(yīng)簡(jiǎn)單、規(guī)則,減少偏心。

  四、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  在高層建筑中,豎向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響,但水平荷載卻起著決定性作用。因?yàn)榻ㄖ灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值,僅與建筑高度的一次方成正比;而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力,是與建筑高度的兩次方成正比;另一方面,對(duì)一定高度建筑來(lái)說(shuō),豎向荷載大體上是定值,而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用,其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力性的不同而有較大的變化。對(duì)一些較柔的高層建筑,風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素,隨著建筑物高度的增高,風(fēng)荷載的影響越來(lái)越大。高層建筑中除了地震作用的水平力以外,主要的側(cè)向荷載是風(fēng)荷載,在荷載組合時(shí)往往起控制作用。因此,高層建筑在風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)引起了研究人員和工程師們的重視。

  豎向荷載設(shè)計(jì)應(yīng)減輕自重。高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮,如果在同樣地基或樁基的情況下,減輕房屋自重意昧著不增加基礎(chǔ)造價(jià)和處理措施,可以多建層數(shù),這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟(jì)效益。

  地震效應(yīng)與建筑的重量成正比,減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了,不僅作用于結(jié)構(gòu)上的地震剪力大,還由于重心高地震作用傾覆力矩大,對(duì)豎向構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加軸力,從而造成附加彎矩更大。

  五、結(jié)語(yǔ)

  高層建筑存在諸多問(wèn)題,高難度,高技術(shù),高風(fēng)險(xiǎn)都需要大量技術(shù)工作人員去解決,本文簡(jiǎn)單地介紹一些高層建筑的構(gòu)造及特點(diǎn),遇到不同的問(wèn)題用不同的方法去解決。

  參考文獻(xiàn):

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  [8]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2002)[S]

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