关于高层建筑结构概念设计研究

摘要：本文主要阐述了高层建筑结构概念设计的意义依据、设计特点为基础，因地制宜创造出高效可行并适应工程情况的设计方案。 关键词：高层建筑 结构设计 概念设计 1概念设计的重要性 概念设计是指一般不经过数值计算，根据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的的经济可靠性能。同时，也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。 1.1结构概念设计 概念设计是运用人的思维和判断力，在设计前期从宏观上决定结构设计中的基本问题。一般指不经数值计算，是从结构概念人手。依据整体结构体系与结构子体系之间的力学关系、相对刚度关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想。从整体角度来确定建筑结构的总体布置和结构措施。 1.2结构设计特点 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；.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，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之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；侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼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；结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，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。 2概念设计的主要内容 2.1高层建筑结构设计多样性 水平荷载是高层建筑结构设计的主要控制因素，因此如何选择抗侧力结构是结构设计的关键。高层建筑钢筋混凝土结构主要有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、底层大开间上部剪力墙即框支剪力墙结构和简体结构等。为适应结构体系的多样化，结构材料向多样性发展，80年代以前高层建筑主要为钢筋混凝土结构。进入90年代后．由于我国钢材产量的增加，钢结构、钢一混凝土混合结构逐渐采用。此外，钢混凝土结构和钢管混凝土结构在高层建筑中也正在得到广泛应用。高层建筑结构采用的混凝土强度等级不断提高，从C30逐步向C60及更高的等级发展。预应力混凝土结构在高层建筑的梁、板结构中广泛应用。钢材的强度等级也不断提高。我国高层建筑早期多为单一用途，为适应建筑功能需要，向多用途、多功能发展，高层建筑平面布置和立面体型日趋复杂。结构平面形式多样，如三角形、梭形、圆形、弧形．以及多种形式的组合等亦多采用。高层建筑立面体型亦有丰富的变化，立面退台、部分切块、挖洞、尖塔、大悬臂等，使高层建筑的刚度沿竖向发生突变。由于建筑功能的改变，使结构体系、柱网发生变化。因此主体结构要发生转换，即由上部剪力墙结构到下部筒体框架或框架剪力墙结构的转换；或主体结构由上部小柱网、薄壁柱到下部大柱网的转换。结构体系的转换及立面体型变化丰富的结构在地震区建造难度较大，还有待于进一步深入研究，并经历强震的检验。 2.2高层建筑的抗震抗风设计 高层建筑除必须承担建筑物的垂直荷载外，更重要的是能有效地承受侧向的风荷载和地震作用。一幢高层建筑结构的抗侧力刚度在高度方向上是逐层变化的。因此在多层之间会出现一些相对薄弱层．这是侧向变形和应力集中处。在结构设计中应尽量避免。建筑设计与结构计要密切配合．力求减少各相邻层之间刚度偏心矩的变化率。我国现行抗震设计规范对建筑物抗震提出了三个水准的设防要求和两个阶段的设计方法．其中第一阶段设计采用第一水准烈度的地震动参数．计算出结构在弹性状态下的地震作用效应与构件截面尺寸：第二阶段设计采用第三水准烈度的地震参数核算结构薄弱层或薄弱环节的弹塑性层问侧向位移、转角，使设计小于规范规定的限值。建筑结构的抗风设计．其重要性超越抗震设计，成为高层结构 设计中的控制因素。这是因为超高层建筑结构的第一自振周期与场地地面卓越周期相差较大，故地震作用对它的影响远比风荷载小。 2.3结构平面布置 （1）平面形状 (1在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单，规则、均匀、对称、使结构受力明确，传力直接，有利于抵抗水平和竖向荷载，减少扭转影响，减少构件的应力集中。平面形状的首选具有两个或多1、对称轴的平面。特别对框架一核心筒结构、筒中筒结构更应选取具有两个或多个对称轴的矩形、正方形、正多边形、圆形等； (2平面长度不宜过长。长宽比I．IB不宜过大。突出部分长度不宜过大，因为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。《高规》对此都有规定，设计时应尽2.4结构平面布置的一般原则 (1)在一个独立的结构单元内，结构布置力求简单、规则、对称、刚度和承载力分布变化均匀，并尽量使结构的刚度中心和质量中心重合，以减少扭转。不应采用平面严重不规则的结构； (2)结构平面不对称，造成质量和刚度偏心。地震时会引起结构的扭转效应。为了减小扭转的影响，《高规》4．3．5条规定： ①在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的I．2倍，不应大于该楼层平均值的1．5倍；B级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1．2倍，不应大于该楼层平均值的1．4倍。此规定的条件是楼板在其平面内刚度为无限大，若楼板开大洞，结构分析中按柔性楼板考虑，实际扭转效应较刚性楼板小。设计时应作具体考虑； ②结构扭转为主的第一白振周期Tt与平动为主的第一自振周期Tt之比，A级高度高层建筑不应大于0．9，B级高度高层建筑、混和结构高层建筑及《高规》规定的复杂高层建筑不应大于0．85。扭转振动的主方向，可以通过计算振型方向因子来判断。在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中，当转动方向因子大于0．5时，则该振型可以认为是扭转为主的振型； (3)应避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位}避免在凹角和建筑物端部设置电梯、楼梯间。如因建筑功能需要，确实非设不可则应采用剪力墙予以加强； (4)楼板开洞而使楼板有过大削弱时，应加厚洞口附近楼板或洞口边缘设置边梁、暗粱。采用双层双向配筋或加配斜向钢筋； (5)尽可能设置多道抗震防线。地震有一定的持续时间，而且可能多次往复作用，根据地震后倒塌的建筑物的分析，我们知道地震的往复作用使结构遭到严重破坏，丽最后倒塌则是结构因破坏而丧失了承受重力荷载的能力。适当处理构件的强弱关系，遵守“强柱、弱梁、更强节点、强剪、弱弯、强底层柱”的原则。从而形成多道防线，是增加结构抗震能力的重要措施； (6)对转换层结构应遵守宜低位转换，尽量避免高位转换。转换层结构的形式尽量简单，受力明确。传力合理。 3概念设计的步骤 (1)结构方案选用 一个成功的建筑设计，必须选择一个经济合理的结构方案，即要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷，同一结构单元不宜混用不同结构体系，地震区应力求平面和竖向规则。总之，必须对工程的设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析，并应充分考虑与建筑、水、暖、电等专业所需要相协调，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时还应进行多方案比较。择优选用。 (2)选择合适的基础方案 基础设计应根据工程地质条件，上部结构类型及荷载分布，相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析，选择经济合理的基础方案，设计时宜最大限度地发挥地基的潜力。一般情况下，同一结构单元不宜采用两种不同的类型。 (3)正确分析计算结果 在高层建筑结构分析和设计中普遍采用计算机技术，对计算的合理性、可靠性进行判断是十分必要的。但由于目前软件种类繁多。不同软件往往会导致不同的计算结果。因此工程师以力学概念和丰富的工程经验为基础，应对程序的适用范围、技术条件等全面了解；对结构的振型、周期、允许位移、地震作用的分布和楼层地震剪力的大小等，是否在合理的范围中，应做出合理判断。 (4)采取相应的构造措施 始终牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压弱拉原则”注意构件的延性性能，加强薄弱部位，注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的直线段锚固长度，考虑温度应力的影响。除此之外。还应注意按均匀、对称、规整原则考虑平面和立面的布置综合考虑抗震的多道防线尽量避免薄弱层的出现，以及正常使用极限状态的验算等等都需要概念设计作指导。 4 结束语 概念设计是从设计的基本原理，工程的客观规律和方法等出发进行综合考虑，并能尽快确定建筑结构的总体布置，为各专业设计提供相对可靠的结构数据。随着社会的进步．结构设计也在不断的进步，结构工程师和建筑师在设计中应以正确的科学理念为基础，让理论知识和实践相结合，探索新的思路，设计出更加适合经济可靠的方案，为每一个崭新的工程奠定基础，把概念设计推向主流。 参考文献 [1]高立人，王跃，结构设计的新思路――概念设计，工业建筑1999(1)． [2]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． [3]JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程 [4]IGB50011―2001，建筑抗震设计规范．