浅谈高层建筑结构设计.doc

1、1浅谈高层建筑结构设计摘要: 高层建筑是随着社会生产的发展和人民生活的需要而发展起来的，是城市和工商业发展的结果，而建筑技术的进步，轻质高强材料的出现以及机械化、电气化、计算机在建筑中的应用，又为高层建筑的发展提供了物质和技术基础。本文对高层建筑结构的设计。楼层的结构特点，方案布置、计算等分析。 关键词: 高层结构；抗震、计算 中图分类号：TU973+.31 文献标识码：A 文章编号： 1.高层建筑结构的发展趋势 A:钢筋混凝土材料重新得到重视。 20 世纪 90 年代以来，美国、日本等原来从高层钢结构起步的国家开始大力发展钢筋混凝土结构。与钢结构相比，钢筋混凝土结构具有整体性好、刚度大、位移

2、小、舒适度佳、耐腐蚀、耐高温、耐火、维护方便等优点。此外，即使是在美、日等钢铁工业发达的国家，钢筋混凝土造价还是低于钢结构。特别是 20-40 层区间的住宅，多采用钢筋混凝土框架或框架-剪力墙结构。我国的高层建筑仲，绝大部分为钢筋混凝土现浇结构，只有少数采用了钢结构。轻混凝土、高强混凝土、钢管混凝土、型钢混凝土等理论技术已经成熟，而非金属配筋、新型预应力钢棒等混凝土增强材料技术的不断发展，也为钢筋混凝土材料的重新崛起提供了条件。 2B:组合结构的高层建筑发展迅速。 采用组合结构可建造比混凝土结构更高的建筑，不但具有优异的静、动力工作性能，而且能大量节约钢材、降低工程造价和加快施工进度。在不同的

3、情况下，可以取代钢筋混凝土结构和钢结构，科技含量也比较高，对环境污染也较少，已广泛应用于冶金、造船、电力、交通等部门的建筑中，并以迅猛的势头进入了桥梁工程和高层与超高层建筑中。在强震国家日本，组合结构高层建筑发展迅速，钢筋混凝土组合柱应用广泛。由于钢管内混凝土处于三轴受压状态，能提高承载力，从而可节约钢材。而香港的中国银行采用巨型组合柱的建筑设计方法，获得了十分可观的经济效益。随着混凝土强度的提高以及构造呵施工技术上的改进，组合结构在高层建筑中的应用可望进一步扩大。 C:新型结构形式的应用不断增加。 框架体系、剪力墙体系和框架-剪力墙（支撑）体系是高层建筑的传统结构体系。简体结构出现于 20

4、世纪 60 年代，它的问世对高层建筑的发展有重要影响。根据筒体的不同组合方式，分为框筒体系、筒中筒体系和多束筒体系 3 种类型。筒体最主要的受力特点是它的空间受力性能。无论哪一种筒体，在水平力作用下都可以看成固定于基础上的箱形悬臂构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有很好的抗扭刚度。因此，该种体系广泛应用于多功能、多用途、层数较多的高层建筑仲。而 20 世纪 80 年代发展起来的巨型结构（巨型桁架、巨形框架） 、应力蒙皮结构、隔震结构等也都已经开始了广泛的应用。 D：智能建筑的发展异军突起。 3现代建筑技术和高新技术产业的结合促成了智能建筑的产生，在高层建筑中有更广阔的应用前

5、景。智能建筑是建筑、装备、服务和经营四要索各自优化、相互联系、全面综合并达到最佳组合，以获得高效率、高功能与高舒适的建筑物。智能建筑是通过对建筑物的 4 个基本要素，即结构、系统、服务和管理，以及它们之间的内在联系，以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间。智能建筑的构成至少必须具备三大系统:设备管理自动化系统、通讯网络系统、办公自动化系统，并以此应用现代 4C 技术构成智能建筑结构与系统，结合现代化的服务与管理方式给人民提供一个安全、舒适的生活、学习与工作环境空间。 2 结构方案布置 原结构方案采用一般的剪力墙结构, 这种结构形式对于房屋高度不太大

6、的小高层建筑来说,这种结构会造成刚度过大,重量增加,导致地震反应过强,使得上部结构和基础造价提高。所以,为了有效提高经济指标,经多方案论证,决定采用短肢剪力墙结构体系。在本住宅结构平面布置中,尽量使结构平面形状和刚度均匀对称。短肢剪力墙双向布置,尽量拉通、对直。竖向布置中,力求规划均匀,避免有过大的外挑、内收,以及楼层刚度沿竖向突变, 使整个房屋的抗侧刚度中心靠近水平荷载合力的作用线,以免房屋发生扭转。根据建筑的平面布置,在房间、楼梯间、电梯间的四角,采用 Z 形、L 形、T 形或异形的墙肢。在设计过程中还应注意同周期的关系, 使结构的第一自振周期避开场地土的卓越周期,以免地基与结构形成共振或

7、类共振,既保证结构在风和地震荷载作用下的变形控制在规范4允许的范围内, 又要保证建筑物有相对合理的自振周期,做到结构设计经济、合理且实用。 本方案根据上述建议经过多次调试,得到了 4 种结构方案,结构平面布置见图 2。剪力墙截面厚度同相邻砌体填充墙厚度均为 200mm。剪力墙、梁混凝土强度等级为 C30。板的混凝土强度等级均为 C25。主要连梁的尺寸大都为 200mm400mm。标准层楼板厚度为 120mm,顶层楼板厚度为150mm。有别于肢长肢厚比不大于 4.0 的异形柱, 短肢剪力墙的肢长肢厚比按规范要求控制在 58 范围内,一般剪力墙的肢长肢厚比均大于 8。值得注意的是,对肢长肢厚比为

8、45 范围内的墙肢,目前规范尚无明确条文规定其构件类型,故设计时建议不要采用。由于原方案的剪力墙过多,使底部剪力过大,使结构很不经济,同时布置了少量钢筋混凝土柱子,使结构不是很合理。故方案 1 在原方案的基础上去掉了构造柱并减少了少量的剪力墙(见图 2a)。在方案 1 基础上适当的减少一些剪力墙,从而使方案更经济,在调试过程中由于 F 轴剪力墙较少,从而使电梯间 X 方向的剪力墙承受过大的剪力造成超筋,故把电梯间 X 方向的剪力墙开洞口,使结构 X 向的刚度减少。(见图 2b)方案 3 是在方案 2 的基础上改善了 Y 方向的刚度,使两个方向的刚度相接近,使结构更合理且均匀对称(见图 2c)。

9、a- 方案 1；b- 方案 2；c- 方案 3；d- 方案 4 图 2 结构平面布置图 5在方案 3 的基础上把 Y 方向的一些 T 型剪力墙变成一字型,虽然在多高层住宅设计中剪力墙结构应尽量避免一字型,但由于该结构的实际情况,所以采用了部分一字型(见图 2d)。 3 上部结构抗震计算结果分析 3.1 计算结果分析 从构件力学特性上来说,短肢剪力墙的肢长与肢厚比5.0,更接近于剪力墙, 故计算时将短肢剪力墙作为剪力墙而不是柱考虑应更合理。因此,结构整体计算采用的是在每个节点有六个自由度的壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙墙元不仅具有平面内刚度也具有平面外刚度, 可以较好地模拟工程中剪力墙的真实

10、受力状态,计算结果较精确;同时,对楼板SATWE 可以考虑其弹性变形。虽然主楼结构平面较规则,立面也无刚度突变现象,但由于刚度较大的电梯井处筒体有点偏置,会产生扭转的影响,为了计算准确,地震作用计算考虑了结构的扭转耦联和 5%偶然偏心的影响,取了 27 个振型计算。 （1）自振周期的控制 考虑扭转耦联时的自振周期(计算时自振周期折减系数取 0.8)如表1(只列了前 6 个)所示。从表 1 可得,方案 4 结构扭转为主的第一自振周期 T3=0.9959s, 平动为主的第一自振周期T1=1.1656s,T3/T1=0.8540.9。 （2）结构位移的控制最大层间位移角(应1/1000)、最大水平位

11、移与层平均位移的比值(不宜大于 1.2,不应大于 1.5)及最大层间位移与平均层间位移的比值(不宜大于 1.2,不应大于 1.5)见表 2。从中可以看出,6结构在风荷载和地震作用下的位移均能很好地满足规范限值。 （3）剪重比控制 剪重比是反映结构承受地震作用大小的指标之一, 地震力计算不能偏大,但也不能太小。因为短肢剪力墙本身抵抗地震的能力较差,如果短肢剪力墙分配的地震力太大,则很有可能不满足要求。本工程 X 方向的最小剪重比为 4.50%,Y 方向的最小剪重比为 4.62%,根据“抗震规范”(5.2.5)条要求的 X、Y 向楼层最小剪重比均为 3.20%,所以各层均满足要求。 （4）轴压比是

12、体现墙肢抵抗重力荷载代表值作用下的能力,“规范”对短肢剪力墙(尤其一字墙肢)要求更高一些。上述工程出现的短肢剪力墙轴压比在 0.200.45 之间,轴压比小于规范规定值。 表 1 结构自振周期 表 2 结构位移 表 4 结构经济指标 3.2 结构经济分析 为了与工程实际情况相符, 假设混凝土的成本与混凝土的体积成正比,钢筋的成本与钢筋的体积成正比。在总造价上,暂不考虑模板及楼板等工程的造价影响。材料的单方造价混凝土为 430 元/m3,钢筋 4200 元/t。表 4 为方案的经济指标汇总。由表 4 知,方案 4 比原结构在总造价7上要节约 17.8%。使材料得到了充分的发挥。 4 结语 综上所述，高层建筑越来越多，类型和功能也越来越复杂，使得高层建筑的结构设计也越来越复杂，建筑结构设计还有待提高。