1、高层建筑结构设计若干问题分析摘要：文章介绍了高层建筑结构设计的特点，分析了高层建筑结构设计过程中常见的问题及其对策。 关键词：高层建筑结构设计特点问题对策 中图分类号：TU97 文献标识码： A 文章编号： 一、高层建筑结构设计的特点 高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有； 1、水平力是设计主要因素 在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生
2、重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向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、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，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，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。 2、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。 3、抗震设计要求更高 有抗震设防的高层建筑结构设计，除要
3、考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。 4、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，会得出偏于不安垒的结果。 5、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
4、造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。 二、高层建筑结构设计过程中常见的问题及其对策分析 1、高度问题 按我国现行 5 高层建筑混凝土结构技术规程 6 ( JGJ3-2002) 规定, 综合考虑经济与适用的原则, 给出了各种常见结构体系的最大适用高度, 详见表 1。 表 1 钢筋混凝土结构高楼的最大适用高度( m ) 这个高度是在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下, 较为稳妥的, 也是与目前整个土木工程规范体系相协调的。可实际上, 已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制, 如: 采用组合结构体系的金茂大厦, 高达 4201 15 m ( 建筑高度); 采用混凝土
5、结构体系的中信广场, 也高达 322 m ( 建筑高度 )。对于超高限建筑物, 应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下,超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加, 许多影响因素将发生质变, 即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围, 如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。 2、材料的选用和结构体系问题 在地震多发区, 采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题。我国 150 m 以上的建筑 , 采用了三种主要结构体系: 框一筒、筒中筒和框架一支撑。这些也是其他国家高层建筑经常采用的主要结构体系。但国外在地震区, 多是以钢结构为主
6、, 而在我国, 钢筋混凝土结构及混合结构占了 90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构, 在国内外都还没有经受较大地震作用的考验。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受 80%以上的地震作用剪力, 有的高达 90% 以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主, 变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大, 靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移, 不仅增大了钢结构的负担, 而且效果不大, 有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构,形成加强层才能满足规范侧移限值。此外, 在结构体系或柱距变化时, 需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变, 常常会使与加
7、强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大, 且加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。此在需要设置加强层及转换层时, 要慎重选择其结构模式, 尽量降低其本身刚度, 以减少不利影响。 在高层建筑中, 根据现在我国建筑钢材的类型、品种和钢结构的加工制造能力, 建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱) 结构或钢结构, 以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后, 为减小风振,钢骨(钢管) 混凝土通常作为首选。采用格构式的型钢时,震害严重, 采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的, 则震害要减少许多。 3、轴压比与短柱问题 在钢筋混凝土高层建筑结构中, 往往为了控制柱的
8、轴压比而使柱的截面很大, 而柱的纵向钢筋却为构造配筋。即使采用高强混凝土, 柱断面尺寸也不能明显减小。限制柱的轴压比是为了使柱子处于大偏压状态, 防止受拉钢筋未达屈服而混凝土被压碎。柱的塑性变形能力小, 则结构的延性就差, 当遭遇地震时, 耗散和吸收地震能量少, 结构容易被破坏。但是在结构中若能保证强柱弱梁设计, 且梁具有良好延性, 则柱子进入屈服的可能性就大大减少,此时可放松轴压比限值。另外, 许多高层建筑底几层柱的长细比虽然小于 4, 但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比, 只有剪跨比小于 2 的柱才是短柱。 有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压
9、比限值, 柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。 4、在某些烈度区采用较低的抗震措施与构造措施 现在许多专家学者提出, 现行的建筑结构设计安全度己不能适应国情的需要, 认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高” 。此外, 对于“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”这个抗震设计原则, 在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准比较低, 当取 50 年为分析年限时, 小震烈度对应的被超越概率为 631 2%, 重现期为 50 年, 中震烈度对应的被超越的概率为 10%, 重
10、现期为 475 年, 大震对应的超越的概率为 2%左右,同时规定抗震设防烈度与设计基本地震加速度的对应关系。 设防标准低的根本原因在于国家财力物力有限。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外, 具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外; 在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上, 与外国相比, 也有异同, 其中的 8 度区, 我国就明显不如外国严格。随着社会财富的增长, 结构失效带来的损失愈来愈大,加之结构造价在整个投资中的比例下降, 因而结构在设防烈度下应该采用弹性设计, 特别是高烈度区要有严格的抗震措施与抗震构造措施来保证结构的安全。参考文献： 1 李淑彦.浅谈高层建筑结构设计要点J. 商品混凝土. 2012(08)
