高层建筑结构设计

高宝宇

摘 要:高层建筑是社会生产的需要和人类生活需求的产物,是现代工业化、商业化和城市化的必然结果。而科学技术的发展,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。

关键词:高层建筑结构设计

中图分类号:TU973 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(a)-0039-01

人们常说建筑是凝固的音乐,优美的高层建筑犹如艺术品,成为城市的一道道绚丽景观;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更多的空闲地面,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。

1 高层建筑结构的概念设计

结构概念设计是从结构的宏观整体出发,着眼于结构的整体反应,运用人们对建筑结构已有的知识去处理结构设计中遇到的诸如房屋体型、结构体系、刚度分布及构造延性等问题,既注意总体布置上的大原则,又考虑关键部分的细节设计,从而达到合理的设计要求。

高层建筑的概念设计涉及抗震和抗风两方面的内容。地震作用和风荷载作用都属于随机振动,具有很强的复杂性和不确定性,要准确预测建筑物在地震和风荷载作用下的特性和参数,就目前的理论来讲是不可能实现的;而且在结构内力分析方面,尚没有充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效和阻尼变化等多种因素,分析计算方法还很不完善。所以,高层建筑结构的设计,除了依靠数学、力学的分析计算外,还必须借助于概念设计。

1.1 简单、规则、均匀原则

简单、规则、均匀的建筑体型和平、立面布置形式可以避免薄弱层的出现,防止地震或风振作用造成的扭转效应和局部应力集中。结构的简单性是指结构在各种荷载作用下具有直接和明确的传力途径,只有结构简单,才能更好地确定结构的计算模型,进行内力与位移分析,限制薄弱部位的出现及进行可靠的抗震性能评估,简单、规则、均匀原则可从平面和立面两个方面加以考查。

1.1.1 平面设计

高层建筑的外形可分为板式和塔式两种类型。板式建筑平面两个方向的尺寸相差较大,分为长短边,在抗震设计时为了增大短方向的抗侧刚度,可将建筑平面做成折线形和曲线形;塔式建筑平面两个方向的尺寸较为接近,有多种平面形状,如圆形、方形、Ｙ形、切角三角形等,目前大多数高层建筑属于此种类型。对抗风有利的建筑平面形状是简单、规则的凸平面,如圆形、正多边形、椭圆形等流线型平面形状,其风载体型系数较小,能有效减小高层建筑的风压;Ｙ形、Ｈ形的平面形式则对抗风不利。对抗震有利的建筑平面形状是简单、规则、对称、长宽比不大的平面,不宜采用狭长、突出部分过大、角部重叠及细腰形建筑平面。平面过于狭长的建筑,在风荷载作用下,可能出现楼板弯曲;在地震作用下,地面運动的相位差可能使结构两端的振动不一致而产生震害,还可能导致结构分析中无法计算的楼板平面内高振型。

1.1.2 立面设计

(1)竖向体型设计。高层建筑结构的竖向体型应采用对侧向力不太敏感的房屋形状,如截锥形、上窄下宽形等,利用它的几何形状所具有的力学优点,使结构不仅具有有效抵御外荷载作用的能力,而且具有造价经济、高度大的优点,这是现代高层建筑创新的一种途径。

(2)竖向传力体系设计。建筑的空间形态是由结构传力体系支撑的,传力体系的剖面形式直接反映结构沿竖向的荷载传递路径,也关系到建筑物的使用性能。因此,竖向传力体系的设计应注意以下几点:

(a)应注意控制建筑的高宽比,一般应将结构的高宽比Ｈ/Ｂ控制在5～6以下;当设防烈度在8度以上时,H/B限值还应更加严格一些。(b)高层建筑的抗侧力结构刚度,应注意由基础向顶层逐渐过渡,尽量避免竖向刚度突变,以防止因刚度的较大突变而削弱抵抗水平荷载的能力。(3)由于使用上的要求造成刚度变化特别大或结构布置发生变化时,则必须设置结构转换层。(4)高层建筑必须具有适当的锚固深度,该深度可结合布置设备用房或地下停车库的需要,做一层或多层地下空间,以降低高层建筑的重心,提高抗震能力及抗倾覆能力。因此,结构竖向的规则与否直接影响结构在地震作用下的安全性能。

1.2 整体性原则

历次地震中,导致建筑结构破坏的内在和外在因素大致有三种类型:结构丧失整体性;结构构件强度不足;地基不均匀沉陷。其中,第一种破坏造成的后果是严重的,不是局部倒塌就是全部倒塌,因为建筑结构在地震作用下丧失稳定性后,各个构件在尚未发挥其抗震能力之前,或者导致整个结构变成机动构架而倒塌,或者导致结构外圈构件平面外失稳而倒塌。

1.3 刚柔协调原则

对于高层建筑结构来讲,通常是地震或风荷载等水平作用控制结构构件的截面尺寸和配筋,因此高层结构的性能主要指其抗震和抗风能力,具体包含三方面的含义:满足承载力要求、刚柔协调和延性性能好。

2 高层建筑结构设计重点

(1)水平荷载成为决定因素。一方面,因为楼房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,以及由此在竖向构件中引起的轴力,是与楼房高度的两次方成正比;另一方面,对某一定高度楼房来说,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。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问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 结语

随着工业化、商业化、城市化的进程,城市人口剧增,造成城市生产和生活用房紧张,地价昂贵,迫使建筑物向高空发展,由多层发展为高层。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。实践表明在高层建筑的结构设计与施工过程中,设计、技术人员只有概念清晰,措施得当,才能不断地完善和发展高层建筑。

参考文献

[1] 王祖华.高层建筑结构设计.华南理工大学出版社,2008.

[2] 周芝兰主编.建筑结构,华中科技大学出版社,2007.

[3] 王社良.混凝土及砌体结构.冶金工业出版社,2004.