高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系

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1、高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系　　近些年来，建筑业有了突飞猛进的发展，城市规划设计中的高层建筑越来越广泛。它以其高度强烈地影响着规划、设计、构造和使用功能。就结构特性而言，高层建筑是必须着重考虑水平荷载和竖向荷载组合影响的建筑物。设计高层建筑时，它的结构除在上述荷载组合下的强度、刚度和稳定性应予以保证外，还必须控制由风荷载所产生的侧向位移，防止由此产生的结构的和非结构性材料的破坏；控制由风荷载造成顶部楼层的加速度反应，以使用户对摆动的感觉和不舒适感降到最低程度。这就需要设计师从一开始就应该以一个

2、立体的概念设计为基础。　　高层结构概念设计的三维层次　　把房屋看成一个三维空间块体分层次来分析，对于复杂的高层，例如多塔机构也可以把它分成几块，分别研究其倾覆、刚度、承载力等问题，然后组合起来。首先，在方案阶段，可以把基本设计方案概念化，建立一个符合建筑空间三维形式的结构方案。在该阶段分析总结构体系的荷载和抗力关系；高宽比与抗倾覆；承载力和刚度；并预估基本分体系的相互关系。由于整个结构必然是由一些平面单元组成，因此在初步设计阶段，要扩展方案，把那些体现初步设计基本要求的、主要是二维的平面体系包括进来，进

3、行基本水平和竖向分体系的总体设计，从而得到主要构件及其相互的关系。而在最后的第Ⅲ阶段，即施工图设计阶段，处理一维的构件设计，具体设计所有分体系的构件、连接和构造详图，对第Ⅱ阶段做出的粗略决定进行细化。　　对于高层建筑结构，可以设想成为一个从地基升起的竖向悬壁构件，承受水平侧向荷载和竖向重力荷载的作用。侧向荷载是由风吹向建筑物引起的水平压力和水平吸力，或者是由地震时地面晃动引起的水平惯性力。重力荷载则是建筑物自身的总重力荷载。这些侧向荷载和重力荷载的组合，趋向于既可能将它推倒，又可能将它切断，还可能使它的

4、地基发生过大的变形，使整个建筑物倾斜或滑移。对抗弯曲而言，结构体系要做到不使建筑物发生倾覆，其支撑体系的构件不致被压碎、压屈或拉断，其弯曲侧移不超过弹性可恢复极限；对抗剪切来说，结构体系要做到不使建筑物被剪断，其剪切侧移不超过弹性可恢复极限；对地基和基础来说，结构体系的各支撑点之间不应发生过大的不均匀变形，地基和地下结构应能承受侧向荷载引起的水平剪力，并不引起水平滑移。由于风力和水平地震作用力对于高层建筑是动荷载，使建筑结构抗弯曲和抗剪切时都处于运动状态，就会导致建筑物中的人有震动的感觉，使人有不舒服感

5、。如果建筑物晃动得太厉害，还会使非结构构件断裂，甚至危及屋外行人的安全。所以，高层建筑结构要避免过大的震动。例如：在建造机关事务局12层的办公综合楼，它长48m、宽18m、高36m。建筑物两边各有9根柱，横行柱距为18m，纵向柱距为6m，中央有一个6×12m的电梯和管道井筒。考虑水平荷载的传递有几种不同方式，进行结构方案优选，分析两种结构方案：一种为仅由核心筒承受水平力，外柱仅承受大部分竖向荷载，不抵抗水平力，梁和柱铰接；一种为纵横两个方向柱和梁刚接形成框架，来抵抗纵横两个方向的水平力。在方案一中：筒井

6、所受的风荷载为×6×8=/m，竖向荷载近似为15120KN，井简墙自重为6×36××2=7776KN，可得抵抗倾覆弯矩的竖向荷载为22896KN。则可计算出合力偏心矩e=M/G=×36×18/22896=，超过核心范围，不满足稳定要求。必须加强、加宽基础或采用下部锚固，才能避免基础向上抬起。在方案二中：由横行跨度的框架承担全部水平力。因此，在一个方向风荷载作用下，总框架一侧柱子受压，另一侧柱子受拉，并可近似求得总压力或拉力为：×36×18/18=，大致由每侧9根柱子平均分担/9=268，8KN/柱　　通

7、过受力因素分析，下一步就考虑采用什么结构体系，有下面几种高层建筑结构体系可供选择，其结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构、筒中筒结构等。根据其受力特点，结合高层概念设计的三维层次考虑，选取合适的结构体系或其组合体系。　　框架结构体系　　由梁、柱、基础构成平面框架，它是主要承重结构，各平面框架再由梁联系起来，形成空间结构体系。框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业厅、教室等。需要时，可用隔断分割成小房间，或拆除隔断改成大房间，因而使用灵活。外墙采用非承

8、重构件，可使立面设计灵活多变。但是框架结构本身刚度不大，抗侧力能力差，水平荷载作用下会产生较大的位移，地震荷载作用下较易破坏。不高于15层宜采用框架结构，可以达到比较好的经济平衡点。　　剪力墙结构体系　　剪力墙结构体系是利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构体系。墙体同时作为维护及房间分隔构件。剪力墙间距一般为3—8m，现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求容易满足，适于建造较高的高层建