高层建筑结构选型分析

2011-10-09寇福立王春明

河北建筑工程学院学报 2011年2期

寇福立田明王春明

(1.河北工业大学后勤管理处,天津300132;2.河北工业大学土木工程学院,天津300132)

0 引言

高层建筑,即十层及十层以上的居住建筑包括首层设置商业服务网点的住宅或建筑高度超过24 m的公共建筑.目前大量高层建筑已经明显地改变了各大城市的面貌,为满足建筑形式及使用功能的要求,结构体系出现了多种类型,由过去比较单一的结构发展到各种形状的框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构(简称框一剪结构)、筒体结构等.高层建筑的结构体系既要承担自身沉重的竖向荷载,还要承担更多的风荷载和因地震而产生的较大的水平荷载,建筑越高则所承受的这两种荷载也就越大.高层建筑结构体系的选择主要决定于荷载的影响和内部使用空间的要求.同时,由于高层建筑的结构体系对于建筑施工期间和造价有着很大的影响,在选择结构体系时,往往也要考虑经济的因素.

1 多层建筑与高层建筑结构设计的区别——竖向结构布置

多层建筑主要考虑竖向荷载(包括恒载和活载)和水平荷载(包括风、地震荷载),一般以抗震为构造处理.其结构形式一般有内部框架、底层框架、框架、砖砌体等结构.高层建筑则要考虑竖向荷载(包括恒载和活载)和水平荷载(包括风、地震荷载),地震竖向荷载.在高层建筑中地震荷载要单独进行计算,即抗震设计.对层数不太多的(一般低于40M,或15～18层以内的)一般工业与民用建筑,只需进行水平抗震设计.对超过该高度的建筑就要进行水平、竖向计算.

高层建筑应选择有利的竖向结构布置.沿竖向高层建筑结构的强度与刚度宜均匀、连续、无突然变化.尤其在地震区要避免因刚度过大突变而发生严重震害.同时,为了保证建筑物在水平作用力下不发生倾覆,并保证高层建筑的整体稳定性,高层建筑高宽比不宜过大.

1)高层建筑结构的竖向布置应满足以下基本要求:

第一,竖向体型宜规则、均匀,避免有过大的外挑和内收.结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化,不应采用竖向布置严重不规则的结构.

第二,抗震设计的高层建筑结构,其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%.

第三,A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%,不应小于其上一层受剪承载力的65%;B级高度高层建筑不应小于75%.

第四,抗震设计时,结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通.竖向抗侧力结构上下未贯通时,底层(部)结构易发生破坏.

第五,抗震设计时,当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0.2时,上部楼层收进后的水平尺寸B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的0.75倍;当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时,下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸B1的0.9倍,且水平外挑尺寸a不宜大于4 m.

第六,结构顶层空旷时,应进行弹性动力时程分析计算并采取有效构造措施.

第七,高层建筑宜设地下室.

2)竖向不规则结构

由于建筑立面及使用功能上的需要,高层建筑出现了大量竖向布置不连续规则的结构,这些结构称为竖向不规则结构.凡符合表1的结构,均属于竖向不规则结构.竖向不规则结构的抗震性能很差,所以高层建筑应尽量避免设计成竖向不规则结构,特别是在烈度较高的地震区应避免采用竖向不规则结构.部分竖向不规则结构,容易使结构形成某些薄弱部位,抗震设计时应采取有效措施.

表1 高层建筑竖向不规则类型

2 影响高层建筑结构体系选择的因素

在低层建筑结构中,水平荷载的内力影响很少,结构以抵抗竖向荷载产生的轴力为主;弯矩和剪力对结构的影响较小、侧向位移很小,通常可以忽略.而高层建筑的受力特点是承受垂直荷载和水平荷载的共同作用.随着建筑高度的增加,水平荷载(风力或地震力)产生的内力和位移迅速地增加,形成了影响高层建筑结构形式的主要因素.

2.1 高层建筑结构设计特点

1)水平荷载成为决定性因素.

由于房屋自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与楼房高度呈线性正比关系;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩,以及由此在竖向构件中引起的轴力,是与房屋高度的两次方成正比;另外对一定高度房屋来讲,竖向荷载基本上是定值,而作为水平荷载的风荷载和地震作用,其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化.

2)轴向变形不容忽视.

在高层建筑中,竖向荷载数值很大,能够在柱中引起较大的轴向变形,从而会对连续梁弯矩产生影响,造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大;还会对预制构件的下料长度产生影响,要求根据轴向变形计算值,对下料长度进行调整;另外对构件剪力和侧移产生影响,与考虑构件竖向变形比较,会得出偏于不安全的结果.

3)侧移成为控制指标.

与较低楼房不同,结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素.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.

4)结构延性是重要设计指标.

相对于较低楼房而言,高层建筑结构更柔一些,在地震作用下的变形更大一些.为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力,避免倒塌,特别需要在构造上采取恰当的措施,来保证结构具有足够的延性.

3 高层建筑结构体系的形式

3.1 框架结构体系

框架是由横梁和柱通过结点而组成.框架的横梁或柱,既承受垂直荷载、也承受水平荷载.在多层和高层房屋中,根据房屋的平面布置及垂直高度空间的要求,有的是单跨多层框架,而更多的是多层多跨框架;框架可以是等跨的或不等跨的.层高可以是相同的,也可以是不相同的;个别还有错层的.随着房屋层数的增多和总高度的增加,水平力对结构构件的截面尺寸和配筋量的控制作用就愈大,在框架结构中更加突出,因而在非地震区,框架结构最多可用到15层左右、一般应控制在10层左右.

框架横梁的内力,主要是剪力和弯矩,轴力较小可以忽略不计,柱的内力,主要是轴力和弯矩,而剪力较少可以忽略不计.

建筑平面布置灵活、可形成较大的空间、且在立面处理上,也易于表现建筑艺术的要求,是框架结构优点.

3.2 剪力墙结构体系

剪力墙结构房屋是将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构,它既承担垂直荷载、也抵抗水平力.因剪力墙是一整片高大的墙体、侧面又有刚性楼盖的支撑,故在其身平面内有很大的侧向刚度,属于刚性结构,能承受较大的水平荷载.在水平荷载作角下.剪力墙是一个底部固定、顶端自由的竖向悬臂梁,主要是因墙肢的拉、压而产生“弯曲型“变形.剪力墙结构房屋因被实体的剪力墙分割成各个单独的空间,建筑布置和使用都受到一定的限制,故多用于仅需小开间的住宅、公寓、旅馆等居住性建筑,在工业建筑中很少采用.

3.3 框架—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-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.框架-剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型.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,所以框架-剪力墙体系的能建高度要大于框架体系.

在高层建筑中,采用框架—剪力墙体系,可以使建筑平面布置比较灵活,满足结构在强度上和抗侧移刚度方面的要求,框架—剪力墙体系在高层建筑中以广泛应用.

3.4 筒体结构体系

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—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.其中的应用较广泛单筒体结构是利用空间受力体系的筒体结构来抵抗水平荷载,建筑平面上的电梯间、楼梯间或管道井等组成的核心筒来抵抗水平荷载,建筑物四周的外墙来组成外筒以抵抗水平荷载的结构.筒体体系适用于层数较多的高层建筑.采用该体系的建,其平面一般是正方形或者接近正方形.

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、抗震能力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层.

3.5 钢—混凝土组合结构体系

钢材具有强度高、结构重量轻的特点结构构件较柔细,特别适合于承受拉力!当其受压时!常因稳定性不足,而不能充分发挥其强度高的优势.混凝土则正相反,最宜于受压而不适于受拉.在结构中的特定位置,根据受力特征,分别布置钢和混凝土材料,充分利用各自长处,避其短处,就形成了钢—混凝土组合结构体系.

钢—混凝土组合结构广泛应用于多层及高层房屋、大跨结构、高耸结构、桥梁结构、地下结构.凡是能够采用钢结构和钢筋混凝土结构的地方,当其跨度比较大、荷载比较重时,都可以采用钢—混凝土组合构.从技术和经济的角度出发,新的超高层建筑结构体系应当是以钢—混凝土组合柱、钢—混凝土组合梁、钢—混凝土组合剪力墙等组合构件为骨架,楼盖则由压型钢板混凝土组合楼板构成,从而使结构拥有多道抗震、抗火防线,并具有更好的综合效益.

钢—混凝土组合结构中包括钢—混凝土组合楼盖、钢管混凝土结构和型钢混凝土结构.钢—混凝土组合楼盖由现浇的混凝土楼板通过焊于主梁和次梁上的抗剪连接件与钢梁系统组成了组合楼盖.

钢管混凝土构件是有效利用混凝土的约束强度,在三向约束下,混凝土的抗压强度可比单向抗压强度提高数倍.正是利用这一特点,混凝土处于三向约束的钢管混凝土最适宜用于以受压为主的轴心受压或小偏心受压柱以及其他受压构件.钢管混凝土构件的主要优点是抗压强度高,延性好,浇灌混凝土时不需模板.广泛用于高层建筑的柱子、拱桥的受压拱圈,高层建筑与高耸结构的受压弦杆等.

型钢混凝土构件是在混凝土中主要配置型钢的构件,一般也配置一些构造钢筋及辅助受力钢筋.型钢混凝土可制作成柱、梁、剪力墙、筒体等.它们的特点是强度高、刚度大、断面小、延性与抗震性能好,防火性能好等,它可以和钢结构混合使用.例如下部若干层为型钢混凝土结构,上部为钢结构,以增大高层建筑的刚度,减少风荷载或水平地震作用下的侧移.型钢混凝土结构也可和钢筋混凝土结构混合使用.例如核心筒为钢筋混凝土结构,外框架为型钢混凝土的框架—筒体结构.