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1、高层建筑结构设计探析 摘要高层建筑是建筑行业一个发展方向,它的意义也非同一般。从高层建筑的结构设计特点、布置原则、基础等方面介绍高层建筑从设计到建造的一般过程。最后简要阐述高层建筑的发展趋势。 关键词高层建筑;结构设计;发展趋势 中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(XX)082-0038-01 随着科学的发展和时代的进步,高层建筑如雨后春笋般的出现。从纽约帝国大厦到世贸大楼,从上海金茂大厦到上海环球金融中心,无一不透出高层建筑的勃勃生命力。高层建筑的高度在一定程度上反映了一个国家的综合国力和科技水平,世界著名的建筑更是建筑史上的纪念
2、碑。但是如果高层建筑因结构设计不清,而造成结构布置不合理,不仅会造成大量的浪费,更重要的是给高层建筑留下了结构质量的安全隐患。因此高层建筑的结构设计就显得尤为重要了。 1高层建筑结构的布置原则与要求 结构平面布置 平面形状简单、规则、对称尽量使质心和钢心重合。偏心大的结构扭转效应大,会加大端部构件的位移,导致应力集中。平面突出部分不宜过长。扭转是否过大,可用概念设计方法近似计算钢心、质心及偏心距后进行判断,还可以比较结构最远边缘处的最大层间变形和质心处的层间变形,其比值超过者,可以认为扭转太大而结构不规则。 高层建筑不应采用严重不规则的结构布置,当由于使用
3、功能与建筑的要求,结构平面布置严重不规则时,应将其分割成若干比较简单、规则的独立结构单元。对于地震区的抗震建筑,简单、规则、对称的原则尤为重要。 结构立体布置 结构竖向布置最基本的原则是规则、均匀。 规则,主要是指体型规则,若有变化,亦应是有规则的渐变。体型沿竖向的剧变,将使地震时某些变形特别集中,常常在该楼层因过大的变形而引起倒塌。 均匀是指上下体型、刚度、承载力及质量分布均匀,以及它们的变化均匀。结构宜设计成刚度下大上小,自下而上逐渐减小。下层刚度小,将使变形集中在下部,形成薄弱层,严重的会引起建筑的全面倒塌。如果体型尺寸有变化,也应下大上小逐渐变化,
4、不应发生过大的突变。上不楼层收进使得体型较小的情况经常发生,但是对于收进的尺寸应当限制。收进的部位越高,收进后的平面尺寸越小,高振型的影响明显加大。如果上部楼层外挑,造成“头重脚轻”的状况,将使扭转反映明显加大,竖向地震影响也明显变大。 2结构设计特点 水平载荷是设计的主要因素 高层结构总是要同时承受竖向载荷和水平载荷作用。载荷对结构产生的内力是随着建筑物的高度增加而变化的,随着建筑物高度的增加,水平载荷产生的内力和位移迅速增大。 侧向位移是结构设计控制因素 随着楼房高度的增加,水平载荷作用下结构的侧向变形迅速增大,结构顶点侧移与建筑高度的四次方成正比,
5、设计高层建筑结构时要求结构不仅要具有足够的强度,还要具有足够的抗推强度,使结构在水平载荷下产生的侧移被控制在范围之内。 结构延性是重要的设计指标 高层建筑还必须有良好的抗震性能,做到“小震不坏,大震能修。”为此,要求结构具有较好的延性,也就是说,结构在强烈地震作用下,当结构构件进入屈服阶段后具有较强的变形能力,能吸收地震作用下产生能量,结构能维持一定的承载力。 轴向变形不容忽视 高层结构竖向构件的变位是由弯曲变形、轴向变形及剪切变形三项因素的影响叠加求得的。在计算多层建筑结构内力和位移时,只考虑弯曲变形,因为轴力项影响很小,剪力项一般可不考虑。但对于高层建
6、筑结构,由于层数多,高度大,轴力值很大,再加上沿高度积累的轴向变形显著,轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生明显的变化。 3高层建筑的基础 高层建筑的上层结构载荷很大,基础底面压力也很大,应采用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式。根据上部结构类型、层数、载荷及地基承载力,可以用单独柱基、交叉梁基础、筏型基础或箱型基础;当地基承载力或变形不能满足设计要求时,可以采用桩基或复合地基。 筏型基础 筏型基础也称为板式基础,多用在上部结构荷载较大、地基承载力较低的情况。一般有两种做法:倒肋形楼盖式和倒无梁楼盖式。倒肋
7、形楼盖的筏基,板的折算厚度较小,用料较省,刚度较好,但施工比较麻烦,模板较费。如果采用板底架梁的方案有利于地下室空间的利用,但地基开凿施工麻烦,而且破坏了地基的连续性,扰动了地基土,会降低地基承载力;采用倒无梁楼盖式的筏基,板厚较大,用料较多,刚度也较差,但施工较为方便,且有利于地下空间的利用。采用此种形式的筏板,应在柱下板底或板面加墩,板底加墩有利于地下空间的利用,板面加墩则施工较为方便。因此选择施工方案的时候应考虑综合因素。 箱型基础 当地基极软切沉降不均匀十分严重时,采用筏形基础,其刚度会显得不足,在上部结构对基础不均匀沉降敏感时尤其如此,在这种情况下采
8、用箱型基础
