建筑结构选型及结构布置研析

【摘要】高层建筑的结构选型, 不仅关系到高层建筑的结构安全, 而且影响高层建筑的美观适用。本文探讨了高层建筑结构选型的方法，介绍了平面布置的主要内容。

【关键词】建筑 结构 选型 布置

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

高层建筑选型影响因素分析

影响高层建筑结构选型的主要因素如下:

1、建筑物所处环境

结构选型方案的生成是在掌握了基本资料后的多目标、多层次、多方案的设计问题, 是融合专家的设计知识、经验和工程实例发挥创造性的过程。建筑物所在位置的环境条件是选型设计方案比选的基本资料, 同时也是选型中确定基础结构、竖向承重结构和水平承重结构的依据。另外, 选型中还应考虑通过对结构体系外部部分的建筑装饰和艺术加工, 将结构形式与建筑的空间艺术形象及周边环境融合为一体来表达建筑与环境的和谐美观。例如, 意大利佛罗伦萨运动场的大看台的设计中, 建筑师将挑梁的外形与其弯矩图统一, 利用混凝土的可塑性对挑梁的外轮廓进行处理, 获得了良好的艺术效果。

2、建筑功能要求

建筑设计中应考虑的首要因素是建筑物的功能要求。任何建筑都具有对客观空间和地质环境的要求, 而高层建筑作为对土地资源高效开发利用的形式, 要求更为严格。高层建筑混凝土结构技术规程规定了各种常见结构体系的最大适用高度。根据这些要求和对使用功能的需求,可大体确定高层建筑的尺度、规模、功能空间划分及其相互关系。在结构选型时应使所选择的结构形式剖面与建筑物使用空间相适应, 并尽可能降低结构构件的高度, 提高建筑空间的使用效率、节省维护结构的费用从而降低建筑物全寿命期费用。

3、结构材料

结构材料在建筑物中的应用促进了建筑结构形式的变革, 不可避免地给建筑结构选型带来重要的影响。近代高层建筑的发展是19 世纪后采用钢铁结构作为承重结构材料开始的。1801 年英国曼彻斯特棉纺厂采用铸铁框架作为承重骨架, 1843 年美国长岛的黑港灯塔采用熟铁框架, 为钢铁材料在高层建筑中的应用开辟了新途径。1889 年芝加哥一幢9 层大楼首先采用刚框架, 1903 年法国巴黎富兰克林公寓采用钢筋混凝土结构, 开始了将钢、钢筋混凝土框架应用在高层建筑中。20 世纪50 年代以来, 新型结构材料迅速发展, 轻质高强的建筑材料在高层建筑中广泛应用, 为现代高层建筑的发展提供了条件。因此, 结构选型时应注意合理选用结构材料, 选择能充分发挥材料性能的结构形式, 从而促进结构形式的创新。

三、高层建筑结构选型的若干思考

1、竖向承重结构的选型

对竖向承重结构选型，首先考虑的是建筑物的高度和用途。不同结构体系的强度和刚度是不一样的, 因而它们适应的高度也不同。一般说来, 框架结构适用于高度低、层数少、设防烈度低的情况; 框架—剪力墙结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求; 层数很多或设防烈度较高时, 可用筒体结构。当建筑物的高度超出表中数值时, 要进行专门的研究, 采取有效的措施。选择结构体系应考虑的另一个因素是建筑物的用途。

2、水平承重结构的选型

水平承重结构对保证建筑物的整体稳定和传递水平力有重要作用。水平承重结构选型通常有以下几种, 平板体系、无梁楼盖、密肋楼盖和肋形楼盖。平板体系平体系采用单向板或双向板, 常用于剪力墙结构或筒体结构。其优点是板底平整, 可以不加吊顶, 结构高度低, 可以降低层高。但当跨度大时, 采用平板较困难, 一般非预应力平板不宜成过6m, 预应力平板不宜超过9m, 否则平板厚度过大, 楼面重量太大。采用现浇预应力无粘结平板楼面可以减少板厚。无梁楼盖: 在层高受限制情况下, 公用建筑常采用无梁楼盖。无梁楼盖最好带现浇柱帽, 以加强板柱连接的可靠性。无梁楼盖的合适跨度是: 普通钢筋混凝土楼面6m 以内; 预应力混凝土楼面可达9m。密肋楼盖: 密肋楼盖多用在跨度较大而梁高受限制的情况下。筒体结构角区楼面也常用密肋楼盖。当采用装配式楼板时, 框架- 剪力墙结构应加混凝土现浇面层。楼盖结构应满足: 房屋高度超过50m 时, 框架—剪力墙结构、筒体结构及复杂高层建筑结构应采用现浇搂盖结构; 剪力墙结构和框架结构宜采用现浇结构。房屋高度不超过50m时, 8、9 度抗震设计的框架- 剪力墙结构宜采用现浇楼盖结构; 6、7 度抗震设计的框架- 剪力墙结构可采用装配整体式楼盖; 框架结构和剪力墙结构可采用装配式结构。同时对于现浇楼盖, 混凝土强度等级不宜低于C20, 也不宜高于C40。

3、下部结构的选型

高层建筑的基础是高层建筑的重要组成部分。它将上部结构传来的巨大荷载传递给地基。高层建筑基础形式选择的好坏, 不但关系到结构的安全, 而且对房屋的造价、施工工期等有重大的影响。高层建筑基础形式通常有以下几种:

（1）柱下独立基础: 适用于层数不多、土质较好的框架结构。当地基为岩石时, 可采用地锚将基础锚固在岩石上, 锚入长度≥40d。

（2）交叉梁基础: 即双向为条形基础。适用: 层数不多、土质一般的框架、剪力墙、框

架- 剪力墙结构。

（3）片筏基础: 适用于层数不多土质较弱或层数较多土质较好时用。当基岩埋置深度很深, 水下水位又很高, 但是在距地表不深处有一定承载力和一定厚度的持力层时, 选用片筏基础比选用桩基础可以节省投资和缩短工期。但片筏基础的刚度较弱, 应注意对基础不均匀沉降、变形和裂缝进行验算。当地下水位很高时, 还要进行抗浮验算。

四、平面布置的主要内容

1、结构平面布置

必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载,受力明确, 传力直接, 力争均匀对称, 减少扭转的影响。在地震作用下, 建筑平面要力求简单规则, 风力作用下则可适当放宽。

2、防止楼板削弱后产生过大的应力集中

楼电梯间不宜设在平面凹角部位和端部角区, 但建筑布置上, 从功能考虑, 往往在上述部位设楼电梯间。如果确实非设不可, 则应采用剪力墙筒体予以加强。

3、建筑周边设置低层裙房

裙房可以单边、两边和三边围合设置, 甚至高层主楼置于裙房内当裙房面积较小, 与主楼相比其刚度也不大时, 上、下层刚度中心不一致而产生的扭转影响较小, 可以采用偏置形式; 当裙房面积较大, 裙房边长与主楼边长之比R /B, L /L大于11 5时, 宜采用内置式。

4、独立的结构单元

各独立的结构单元平面形状和刚度对称, 有利于减少地震时由于扭转产生的震害。唐山地震、墨西哥城地震和阪神地震都明显看出:平面不规则、刚度偏心的建筑物, 在地震中容易受到较严重的破坏。因此, 在设计中宜尽量减小刚度的偏心。如果建筑物平面不规则、刚度明显偏心, 则应在设计时用较精确的内力分析方法考虑偏心的影响, 并在配筋构造上对边、角部位予以加强。

5、平面过于狭长的建筑物

在地震时由于两端地震波输人有位相差而容易产生不规则振动, 产生较大的震害, 平面有较长的外伸时。外伸段容易产生局部振动而引发凹角处破坏。需要抗震设防的A 级高度钢筋混凝上高层建筑, 其平面布置宜符合下列要求:

（1 )平面宜简单、规则、对称、减少偏心,否则应考虑扭转不利影响;

（2)平面长度不宜过长, 突出部分长度L不宜过大, 凹角处宜采取加强措施。

6、角部重叠和细腰形的平面图形, 在中央部位形成狭窄部分, 在地震中容易产生震害, 尤其在凹角部位, 因为应力集中容易使楼板开裂、破坏。这些部位应采用加大楼板厚度, 增加板内配筋设置集中配筋的边梁, 配置45b斜向钢筋等方法予以加强。当楼板平面过于狭长、有较大的凹人和开洞而使楼板有过大削弱时, 应在设计中考虑楼板变形产生的不利影响。楼面凹人和开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半, 楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的30%; 在扣除凹人和开洞后, 楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于5M。且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2M。

结论

高层建筑结构的选型与结构布置在结构抗震概念设计中占有极其重要的地位, 它们直接影响着结构的安全性与经济性。总的来说, 高层建筑结构选型包含竖向承重结构选型、水平承重结构选型以及下部结构选型; 结构布置包括结构平面布置、结构竖向布置及变形缝设置。设计中应根据房屋的高度、高宽比等多方面因素选取合理的结构体系, 以上因素在结构选型方面应该重点考虑。

【参考文献】

[ 1] 刘建文1 高层建筑结构选型与布置剪力墙合理数量研究[ D]1 长沙, 湖南大学1 20061

[ 2] 刘海卿, 康珍珍, 张丙军. 高层建筑结构选型影响因素分析[ J] . 科学技术与工程, 2006, ( 6) .