高层建筑结构设计特点及常见问题的探讨

时间:2022-10-19 09:35:18

高层建筑结构设计特点及常见问题的探讨

[摘 要]高层建筑目前在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大,而建筑结构设计方面的变化也越来越多,很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中。建筑类型与功能越来越复杂,高层建筑的数量口渐增多,高层建筑的结构体系也是越来越多样化,高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。面对如此形势,应该把高层建筑的结构设计放在首位加以研究。

[关键词]建筑;设计;问题;

中图分类号:TU973 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)36-0098-01

一、建筑结构设计的类型与基本内容

(一)建筑结构的类型

建筑物有各种不同的使用功能要求,因此有许多类型及分类方法。根据建筑物的用途,可以分为工业建筑与民用建筑。根据建筑物的层数,可以分为单层、多层、高层和超高层建筑。建筑物根据所使用的结构材料可以分为:木结构、砌体结构、混凝土结构、钢结构和混合结构等。建筑物根据其结构形式,可以分为排架结构、框架结构、剪力墙结构、筒体结构和大路结构等。

(二)建筑结构设计的基本内容

1.结构设计的程序

建筑物的设计包括建筑设计、结构设计、给排水设计、暖气通风设计和电气设计等。每一部分的设计都应围绕设计的四个基本要求:即功能要求、美观要求、经济要求和环保要求。

2.建筑物结构设计的要求

为保证建筑结构的可靠度达到设计要求,在设计中,必须遵循以下要求:

2.1计算内容:结构构件应进行承载能力极限状态的计算和正常使用极限状态的验算,如直接承受动力荷载的构件应进行疲劳强度验算;

2.2结构上多种作用效应同时发生时,应通过结构分析分别求出每一种作用下的效应后,考虑其可能的最不利组合;

2.3抗震设计:我国的抗震设防烈度为6至9度,建筑结构根据所在地区的烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级。对应不同的抗震等级,有不同的计算和构造要求。

二、 高层建筑结构设计的特点

(一)轴向变形不容忽视

高层建筑中,竖向载荷很大,能在柱中引起较大的轴向变形,对连续梁弯矩产生影响,造成连续梁中间支座处的负弯矩减小,跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大;此外还会对预测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。

(二)结构延性是重要设计指标

相对于底层建筑而言,高层建筑的结构更柔和一些,在地震作用下的变形更大一些。为了使高层建筑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。

(三)水平荷载成为决定因素

1.高层建筑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,仅与建筑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

2.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变化。

三、 高层建筑结构设计的几个问题

(一)高层建筑结构受力性能

对于一个建筑物的最初的方案设计,建筑师考虑更多的是它的空间组成特点,而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的,由于建筑物是由一些大而重的构件所组成,因此结构必须能将它本身的重量传至地面,结构的荷载总是向下作用于地面的,而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系,所以,在建筑设计的方案阶段,就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。

1.嵌固端的设置问题

由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防,嵌固端有可能设置在地下室顶板,也有可能设置在人防顶板等位置,因此,在这个问题上,结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面,如:嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题,而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。

(二)高层建筑结构设计中的扭转问题

建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心,在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点,即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一,在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏,应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局,尽可能地使建筑物做到三心合一。

在水平荷载作用下,高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀,减轻结构的扭转振动,应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简面形式。在某些情况下,由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制,高层建筑不可能全部采用简面形式,当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时,应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内,同时,在结构平面布置时,应尽可能使结构处于对称状态。

四、高层建筑结构设计中的侧移和振动周期

建筑结构的建筑结构的振动周期问题包含两方面:合理控制结构的自振周期;控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。

(一)结构自振周期

高层建筑的自振周期(T 1)宜在下列范围内:

框架结构:T1=(0.1―0.15)N

框一剪、框筒结构:T1=(0.08-0.12)N

剪力墙、筒中筒结构:TI=(0.04―0.10)N

N为结构层数。

结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内:

第二周期:T2=(1/3―1/5)T1;第三周期:T3=(1/5―1/7)T1。

(二)共振问题

当建筑场地发生地震时,如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近,建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期,通过调整结构的层数,选择合适的结构类别和结构体系,扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别,避免共振的发生。

(三)水平位移特征

水平位移满足高层规程的要求,并不能说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素。因为结构抗震设计时,地震力的大小与结构刚度直接相关,当结构刚度小,结构并不合理时,由于地震力小则结构位移也小,位移在规范允许范围内,此时并不能认为该结构合理。因为结构周期长、地震力小并不安全。其次,位移曲线应连续变化,除沿竖向发生刚度突变外。不应有明显的拐点或折点。一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型。框架结构的位移曲线应为剪切型t框一剪结构和框一筒结构的位移曲线应为弯剪型。

五、结语

综上所述,随着高层建筑的与日俱增,高层建筑设计尤其是结构设计越来越重要。作为结构工程师,除了掌握基本的专业知识以外,还要具备复合型能力水平,了解现代化信息技术,提高结构计算的完整性、精确性,结合工程具体情况,最终确定最合理、最经济、最合适的方案,解决设计过程中可能遇到的各种问题,推动我国高层建筑的优化发展。

参考文献:

[1]王钲日.试论现代高层建筑结构设计特点及相关问题[J].黑龙江科技信息,2012(4)

[2]季静,黄超,韩小雷,等.基于性能的设计方法在超限高层建筑设计中的应用

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