关键词:高层建筑 结构设计 概念设计
在高层建筑结构设计中,概念设计与结构措施至关重要。一定程度上它反映了一个结构工程师的设计水平。随着人们对建筑功能要求的多样化,高层建筑类型和功能愈来愈复杂,结构体系日趋多样化,出现了各种形式的多塔、错层、带转换层、楼板局部开大洞的结构类型,其中立面布置也越来越复杂,所有这些都对高层建筑的结构提出了更高的要求。但目前建筑结构设计当中墨守成规的现象还是相当普遍,对此我们应该提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性,推动结构设计的发展。
1 概念设计的重要性
概念设计是展现先进设计思想的关键,一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计,并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天,对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。随着年龄的增长,导致他们在大学学的那些孤立的概念都被逐渐忘却,更谈不上设计成果的不断创新。
强调概念设计的重要,主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性,比如对混凝土结构设计,内力计算是基于弹性理论的计算方法,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远,为了弥补这类计算理论的缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。
2 认识高层建筑受力特点,选择合理结构类型
高层建筑的受力特点不同于低层建筑,对于同时承受垂直荷载和水平荷载的结构,从结构内力看,在低层建筑中,水平荷载产生的内力较小,结构以抵抗垂直荷载产生的轴力为主,弯矩和剪力的影响较小。随着高度的增加,水平荷载产生的内力和位移迅速增加。
高层建筑上常用的结构类型主要有钢结构和钢筋硷结构,钢结构具有整体自重轻,强度高、抗震性能好、施工工期短等优点,并且钢结构构件截面相对较小,具有很好的延性,适合采用柔性方案的结构。其缺点是造价相对较高,当场地土特征周期较长时,易发生共振。与钢结构相比,现浇钢筋砼结构具有结构刚度大,空间整体性好,造价低及材料来源丰富等优点,可以组成多种结构体系,以适应各类建筑的要求,在高层建筑中得到广泛应用,比较适用于提供承载力,控制塑性变形的刚性方案结构。其突出缺点是结构自重大,抵抗塑性变形能力差,施工工期长,当场地土特征周期较短时,易发生共振。
3 结构体系设计
3.1 结构平面设计原则 建筑平面的形状宜选用风压较小的形式,并应考虑邻近高层建筑对其风压分布的影响,还必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载。在地震作用下,建筑平面要力求简单规则,风荷载作用下则可适当放宽。另外,建筑平面的长宽比也不宜过大,一般宜小于6,以避免两端相距太远,振动不同步,产生扭转等复杂的振动,而使结构受到损害。在规则平面中,如果结构平面刚度不对称,仍然会产生扭转。因此,简洁、规整、均匀对称的平面设计,对于合理布置抗侧力结构是有利的。
3.2 结构形式与特点 高层建筑对内部空间的要求,因其使用性质和功能不同,建筑平面布置也就随之变化。
悬挂结构:是指采用吊杆将高楼各层楼盖分段悬挂在主构架上所构成的结构体系。主框架与矩形框架相类似,承担全部侧向和竖向荷载,并将它直接传至基础。除主框架落地外,其余部分均从上面吊挂,可以不落地。
巨型结构:一般有矩形框架结构和矩形析架结构。矩形框架结构由楼、电梯井组成大尺寸箱形截面矩形柱,有时也可以是大截面实体柱,每隔若干层设置一道1—2层楼高的矩形梁。它们组成刚度极大的矩形框架,是承受主要的水平力和竖向荷载的一级结构;上下层矩形框架梁之间的楼层梁柱组成二级结构,其荷载直接传递到一级结构上,其自身承受的荷载较小,构件截面较小,增加了建筑结构布置的灵活性和有效使用面积。矩形析架结构以大截面的竖杆和斜杆组成悬臂析架,主要承受水平和竖向荷载。楼层竖向荷载通过楼盖、梁和柱传递到析架的主要杆件上。因此,矩形结构亦被称为“超级框架结构”。
悬挑结构:体型独特,外观新颖,在建筑艺术上有特色,加之外柱截面很小、四周开敞,很受建筑师的欢迎。其特点是围绕核心筒在各个方面作出悬挑,由核心承受所有的荷载,围绕核心筒可以创造出没有任何垂直支撑的平面形式,这使室内空间的使用更加方便、灵活。
3.3 选择合理结构布置,协调建筑与结构的关系 高层建筑结构体系确定之后,结构布置的合理与否很大程度影响着建筑的使用,结构的经济性和施工的合理性,特别是地震区会影响结构的抗震性能,结构布置不当,常常造成薄弱环节,引起震害。在高层建筑的设计中,结构布置一般应考虑以下几点:
3.3.1 应满足建筑功能要求,做到经济合理,便于施工。建筑物的开间、进深、层高、层数等平面关系和体型除满足使用要求外,还应尽量减少类型,尽可能统一柱网布置和层高,重复使用标准层。
3.3.2 高层建筑控制位移是主要矛盾,除应从平面体型和立面变化等方面考虑提高结构的总体刚度以减少结构的位移。在结构布置时,应加强结构的整体性及刚度,加强构件的连接,使结构各部分以最有效的方式共同作用。
3.3.3 在地震区为了减少地震作用对建筑结构的整体和局部的不利影响,建筑平面形状宜规正,避免过大的外伸或内收,沿高度的层间刚度和层间屈服强度的分部要均匀,主要抗侧力竖向构件,其截面尺寸、硷强度等级和配筋量的改变不宜集中在同一楼层内,在设计和施工中不宜盲目改变硷强度等级和钢筋等级以及配筋量。平面的长宽比不宜过大,以避免两端相距太远,振动不同步,应使荷载合力作用线通过结构刚度中心,以减少扭转的影响。
4 提高结构的抗震性能
由于高层建筑的受力特点不同于低层建筑,因此在地震区进行高层建筑结构设计时,除应保证结构具有足够的强度和刚度外,还应具有良好的抗震性能。通过合理的抗震设计,使建筑物达到小震不坏,中震可修,大震不倒。
对于框架结构,梁柱节点是保证框架有效地抗御地震作用的关键部件,它的破坏是剪切脆性破坏,变形能力差,且同时使交于节点的梁、柱失效,所以应保证其不发生太重的剪切裂缝。为了保证钢筋硷结构在地震作用下具有足够的延性和承载力,应按照“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、’“强节点弱构件”的原则进行设计,合理地选择柱截面尺寸,控制柱的轴压比,注意构造配筋要求,特别是要加强节点的构造措施。
对于框架一剪力墙结构和剪力墙结构中各段剪力墙高宽比不宜小于2,使其在地震作用下呈弯剪破坏,且塑性屈服尽量产生在墙的底部。连梁宜在梁端塑性屈服,且有足够的变形能力,在墙段充分发挥抗震作用前不失效,按照“强墙弱梁”的原则加强墙肢的承载力,避免墙肢的剪切破坏,提高其抗震能力。
5 结语
由此可见,高层建筑结构设计、计算是一项复杂的工作,它要结构设计人员既要有扎实的理论功底,又要有丰富的工程经验,并且结合概念设计,这样设计出来的建筑物才能达到既安全、可靠,又经济、合理。
参考文献:
结构设计的新思路—概念设计.工业建筑.1999.
林同炎.S. D.思多台斯伯利.结构概念和体系.中国建筑工业出版社.
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