摘要:本文论述了高层建筑结构设计与体系的要点

关键词:高层建筑结构体系概念设计

近些年来,建筑也有了突飞猛进的发展,城市规划中的高层建筑越来越多,他以其高度强烈地影响着规划、设计、构造和使用功能。就结构特征而言,高层建筑就必须着重考虑水平荷载和竖向荷载组合影响的建筑物,设计高层建筑时,它的结构除在上述荷载组合下的强度、刚度和稳定性应予以保证外,还必须控制由风荷载(或地震水平作用)所产生的侧向位移、防止由此产生的结构和非结构性材料的破坏;控制由风荷载造成顶部的楼层加速度反应,以使用户对摆动的感觉和不舒适感降到最低程度,这就需要设计师从一开始就应该以一个立体的概念设计为基础。

1高层结构概念设计

把房屋看成一个三维空间块体分层次来分析,对于复杂的高层,例如多塔结构也可以把它分成几块,分别研究其倾覆、刚度、承载力等问题,然后组合起来。首先,在方案阶段(1),可以把基本设计方案概念化,建立一个符合建筑空间三维形式的结构方案。在该阶段分析总结构体系的荷载和抗力关系;宽度比和抗倾覆;承载力和刚度;并预估基本分体系的相互关系。由于整个结构必然是由一些平面单元组成,因此在初步设计阶段(Ⅱ),要扩展方案,把那些体现初步设计基本要求的、主要是二维的平面体系包括进来,进行基本水平和竖向分体系的总体设计,从而得到主要构件及其相互的关系。而在最后的第Ⅲ阶段,及施工图设计阶段,处理一维的构件设计,具体设计所有分体系的构件、连接和构造详图,对第Ⅱ阶段做出的粗略决定进行细化。

对于高层建筑结构,可以设想成为一个从地基升起的竖向悬臂构件,承受水平侧向荷载和竖向重力荷载的作用。侧向荷载是由风吹向建筑物引起的水平压力和水平吸力,或是由地震时地面晃动引起的水平惯例性。重力荷载则是建筑物自身的总重力荷载。这些侧向荷载和重力荷载的组合,趋向于即可能将它推倒(受弯曲),又可能将它切断(受剪切),还能使它的地基发生过大的变形,使整个建筑物倾斜或滑移。

对抗弯曲而言,结构体系要做到不使建筑物发生倾覆,其支撑体系的构件不致被压碎、压屈或拉斯,其弯曲侧移不超过弹性可恢复极限;对抗剪力来说,结构体系要做到不使建筑物被剪断,其剪切侧移不超过弹性可恢复极限;对地基和基础来说,结构体系的各支撑点之间不应发生过大的不均匀变形,地基和地下结构应能承受侧向荷载引起的水平剪力,并不引起水平滑移。

由于风力和水平地震作用力对于高层建筑是动荷载,使建筑结构抗弯曲和抗剪切时都处于运动状态,就会导致建筑物中的人有震动的感觉,使人有不舒服感。如果建筑物晃动得太厉害,还会使非结构构件(如玻璃窗、隔墙、装饰物等)断裂,甚职位及屋外行人的安全。所以,高层结构建筑要避免过大的震动。

2高层建筑的结构体系

通过受理因素分析,下一步就应考虑使用什么结构体系,有下面几种高层建筑结构体系可以选择,其结构体系有:框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒中筒结構等。根据其受力特点,结合高层概念设计的三维层次考虑,选取合适的结构体或其组合体系。

(1)框架结构体系。由梁、柱、基础构成平面框架,它是主要承重结构,各平面框架再由梁联系起来,形成空间结构体系。框架结构的优点是建筑平面布置灵活,可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业厅、教室等。需要时,可以隔断分隔成小房间,或拆除隔断改成大房间,因而使用灵活。外墙采用非承重构件,可使立面设计灵活多变。但是框架结构本身刚度不大,抗侧力能力差,水平荷载作用下会产生较大的位移,地震荷载作用较易破坏。不高于15层宜采用框架结构,可以达到比较好的经济平衡点。

(2)剪力墙结构体系。剪力墙结构体系是利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的机构体系。墙体同时作为维护及房间分隔构件。剪力墙间距一般为3-8m。现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好,刚度大。在水平荷载作用下侧向变形小,承载力要求容易满足,食欲建造较高的高层建筑。而且其抗震性能良好,在历次的地震中,都体现出良好的抗震性能,震害较少发生,程度也很轻微。但是剪力墙结构间距不能太大,平面布置不灵活,而且不宜开过大的洞口,自重往往也较大,不是很能满足公共建筑的使用要求,而且成本也较大。

(3)框架-剪力墙结构体系。框架-剪力墙结构体系是由框架和剪力墙组成。剪力墙作为主要的水平荷载承受的构件,框架和剪力墙协同工作的体系。在框架-剪力墙组成。由于剪力墙刚度大,剪力墙承受大部分水平力(有时可以达到80%-90%),是抗侧力的主体,整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承受侧向荷载,提供较大的使用空间,同时承担少部分水平力。由于剪力墙刚度大,其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了,在地震作用下层间变形减小,因而也就减少了非结构构件(隔墙和外墙)的损坏。这样无论在非地震区还是地震区,都可以用来建造较高的高层建筑。还可以把中间部分的剪力墙形成简体结构,布置在内部,外部柱子的布置就可以十分灵活;内筒采用滑模施工,外围的框架柱断面小、开间大、跨度大,很适合现在的建筑设计要求。

(4)筒中筒结构体系。筒中筒结构体系由一个或多个简体为主抵抗水平力。通常筒体结构结构形式有三种:实腹筒、框筒及衍架筒。筒体结构最主要的特点就是它的空间受力性能。不论哪一种筒体,在水平作用下都可看成固定于基础上的箱形悬臂构件,它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力,并具有良好的抗扭刚度。筒中筒结构是一种抵抗较大水平力的有效结构体系,但是由于它需要密柱深梁,当采用钢筋混凝土结构时,可能延性不好,而且造价昂贵。

除了上述的几种结构体系外,还有其他一些结构体系,如薄壳、膜结构、网架等。随着时代的进步,会涌现出越来越多更好的结构体系。这就需要不断学习,从各方面考虑运用经济合理的手段达到目标。