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高层建筑结构设计特点的分析

   本文是通过分析高层建筑结构体系的功能及受力、变形特性,对以承受力、刚度、延性为主导的结构概念设计进行论述,依据高层建筑结构在结构选型、 抗侧刚度等设计的特点, 提出了以承载力、 刚度与延性为主导目标的设计理念, 和概念设计需遵守的原则与建议。
  【关键词】 高层建筑;结构; 概念设计
  1、 前言
   鉴于我国高层建筑呈几何级快速增长的形式, 高层建筑的类型和功能也随着变得多样复杂化, 其结构体系也变得越来越多样,再加上材料性能与施工安装可能存在的差异以及其他无法预测的因素等,导致设计计算结果可能和实际受力情况相差较大。 因此, 在高层结构设计中, 为保证结构的安全可靠性,在定量分析计算的基础上,根据结构的受力特点进行结构概念设计是十分必的。
  2、 高层建筑结构设计的特点
  1、高层建筑的水平荷载已成为决定性素,由于楼房的自重与楼面使用荷载在竖构件当中所造成轴力与弯矩之数值, 仅仅和楼房高度的一次方成正比关系, 而水平荷载对于结构所形成的倾覆力矩及由此而在竖构件当中所引起之轴力, 和楼房高度的二次方成正比关系 因此, 对于某一座具有一定高度的建筑物来说,竖向荷载主为定值,而水平荷载之风荷载的数值随着结构动力特点之不同而出现了较大变化
  2、高层建筑的轴向变形不可忽视 高层建筑的竖向荷载值较大, 可在柱中引发比较大的轴向之变形,将对连续梁弯矩造成直接影响, 导致连续梁中间的支座处负弯矩值出现减小趋势, 不仅跨中正弯矩之和端支座负弯矩值将会增大, 而且还将对预制构件下料长度形成
  影响, 因而求依据轴向变形来计算, 并对下料长度作出调整
  3、是侧移已经成为控制性指标 与较低建筑物有所不同的是, 结构侧移成了高层建筑物结构设计当中的重因素. 因为楼房高度在不断增加, 由于水平荷载下的结构侧移变形快速变大, 所以水平荷载作用之下的结构侧移应当被控制于限度以内
  4、结构延性成为重的设计指标之一 相对一般楼房来说, 高层建筑物的结构显得更柔 , 因而一旦出现地震, 其变形也会更加大 为确保结构在塑性变形之后仍然能有较强的变形能力, 从而避免出现倒塌, 因而十分需在结构上运用合理之措施以保证结构能够有一定的延性
  3、根据高层建筑结构形式及受力的复杂性,高层建筑结构的设计特点分析如下
  3.1 与普通结构设计相比, 高层建筑结构体系的选型变得尤为重。 因为它直接关系到建筑平面布置、 立面选型、 楼层高度、机电管道的设置、 施工技术的求、 施工工期和造价。
  3.2 在低层结构设计中, 水平荷载产生的内力和位移相对较小, 通常可以忽略; 在多层结构中, 水平荷载的效应逐渐增大; 而到高层建筑中, 随着结构高度的增加, 水平荷载产生的内力和位移将迅速增大, 成为设计的主考虑因素。
  3.3 高层建筑设计不仅需较大的承载能力, 而且需较大的抗侧刚度,使结构在水平荷载作用下产生的位移限制在一定的范围内, 以满足结构舒适度、 结构和填充墙及装饰材料正常使用的求, 避免结构产生较大的附加内力。因此, 抗侧力结构的设计成为高层建筑结构设计的关键问题。
  3.4 减轻结构自重在高层建筑中相对普通建筑更有意义。 这种意义体现在两个方面 首先, 结构地震作用的效应与结构质量成正比, 因此, 减轻结构自重可以减小结构的地震作用效应, 提高结构抗震性能; 其次, 从地基或桩基承载力方面考虑, 减轻结构自重意味着增加高层建筑的地基土方面的使用范围 (如软土层), 减少基础造价和处理措施。
  3.5考虑结构刚度连续适用性, 尽量避免结构薄弱层的出现。对于高层建筑来说, 由于建筑和设备所求的层高的变化、 加强层的设置, 结构刚度往往发生突变, 在突变部位易形成薄弱层。
  3.6 结构振动控制。在地震或风荷载作用下, 高层建筑很容易发生振动, 影响结构的舒适度。 在设计过程中应予以充分考虑。高层建筑结构抗震设计中遵循抗震概念设计的基本原则结构的简单性;结构的规则和均匀性;结构的刚度和抗震能力;结构的整体性。
  4、 高层建筑结构概念设计
  4.1 概念设计主导目标。所谓概念设计即设计师运用必备的设计知识, 结合历年来结构事故分析、 模拟试验的定量分析结果以及长期以来国内外的设计与使用经验分析、归纳和总结出来的设计对策和措施。以概念设计为指导,能够正确地解决高层建筑在方案设计、 初步设计和施工图设计阶段的优化问题。水平荷载对高层建筑的荷载效应是非线性的,是随着建筑结构的高度而迅速增加的。随着建筑结构高度的增加,侧向位移和振动就成为结构的主控制条件。因此,概念设计应以结构的承载力、 刚度和延性为主导目标, 整体构思结构各部分有机相连的结构总体系, 以充分发挥结构总体系和主分体系、 以及分体系与各构件之间的最佳受力特征与协调关系,提高高层建筑在水平荷载作用下的各项性能,使结构具有一定大的刚度和承载力来抵御风荷载和小震,保证结构在风荷载和规范规定的小震作用下处于弹性工作状态。并且还应在第一道防线的有意识屈服后,在结构变柔的同时仍具有足够大的弹塑性变形能力和延性耗能能力来抵御可能发生的罕遇地震。
  4.2 概念设计的原则。高层结构概念设计中, 在满足主导目标的同时需重视以下基本原则4.2.1 复杂结构简单化。首先, 结构设计中应尽量使结构传力途经简单、 明了, 尽可能避免关键性构件在各种荷载工况下产生过大的扭矩。 复杂的传力途径很难满足内力与变形的协调性,易形成薄弱环节; 其次, 运用简单、 直接和概念清楚的计算方法进行结构的分析计算。
  4.2.2 结构平面布置的规则性和刚度的连续均匀性。 尽可能使结构平面布置的正交抗侧力中心与建筑物质量中心、水平荷载作用中心接近,避免地震和风荷载作用下产生过大的扭转效
  应。为避免结构出现薄弱层, 内力、 传力途径和层间位移角的突变, 结构竖向抗侧力刚度构件宜连续、 均匀。在无法避免的情况下, 必须协调结构突变部位的剪切刚度、 弯曲刚度和轴压刚度的平稳过渡。
  4.2.3 整体工作性能。实际的建筑物是一个三维的空间结构, 所有的结构构件都以相当复杂的方式在共同协调工作, 而不是脱离结构总体系的孤立构件。因此应保证上部结构与其支承结构(构件)整体共同工作, 传力者和受力者应共同抗力。
  4.2.4 在提高高层建筑抵抗侧向力和侧移能力的同时, 尽可能地减少成本。在设计高层建筑时,设法减少抵抗侧向力所需增加的材料用量是十分必的。这也是衡量一个设计人员水平
  高低的主标准之一, 同时也是对业主、 对社会资源的一种贡献。通过优化结构设计方案和结构体系可以达到该目标。
  4.2.5 减少结构因水平荷载作用下的振动。 为满足高层建筑舒适度和安全性的求, 可采取有效的抗振动措施, 如利用结构自身的薄弱耗能构件、 在结构中布置阻尼器等措施, 来改善结构在水平荷载下的振动。
  4.2.6 采取必的构造措施。实践证明, 只重视结构的前期计算, 不重视结构的构造处理, 建筑物也不是安全可靠的, 因此,须两者并重才能设计出安全、 可靠的耐久性建筑。
  5、 结语
  现在计算机的精确计算并不能完全解决高层结构复杂化所带来的若干问题。所以就需结构设计人员运用自己的专业知识与经验做出正确的判断,采用合理的整体结构和构造措施以满足建筑结构各项性能指标。因此, 结构设计人员应不断的学习和提高,在我们结构工程师和建筑师在设计中创造性地相互配合下,设计出令人满意的作品, 为每一个崭新的工程奠定基础, 把概念设计推向主流。
  

  

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