试论高层建筑结构设计的控制策略

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1、试论高层建筑结构设计的控制策略【摘要】随着经济的快速发展，高层建筑在我国大部分城市也陆续涌现。对于高层建筑结构而言，其结构体系的选择，更主要的是与荷载因素相关，因此，高层建筑结构的设计首先必须以其不同荷载对结构产生的影响为依据，选择最为合理的方案。【关键词】高层建筑；结构设计；策略0.引言在相同的建设场地中，建造高层建筑可以获得更多的建筑面积，这样可以解决部分城市用地紧张和地价高涨的问题。设计精美的高层建筑还可以为城市增加景观，但如果高层建筑太多、太密集也会对城市带来热岛效应，玻璃幕墙过多的高层建筑群还可能造成光污染现象。在建筑面积与建设场地面积相同比值的情况

2、下，建造高层建筑比多层建筑能够提供更多的空闲地面，将这些空闲地面用作绿化和休息场地，有利于美化环境,并带来更充足的日照、采光和通风效果。1.高层建筑结构设计控制策略1.1减轻结构自重对于高层建筑而言，从地基承载力以及地震效应的角度来说，减轻结构自重意义重大•不仅意味着减少基础造价和处理措施，而且可有效防止地基沉降以及框架柱的压力变形，同时也提高了结构的抗震性能。为了达到减轻结构自重的目的，可以采取的措施有两点。1.1.1使用轻质高强材料目前，在使用轻质材料方面，高强钢材、高强混凝土、钢管混凝土、轻骨料混凝土等材料在国内外的高层建筑当中得到了广泛的应用。大量的工

3、程实例表明，使用这些轻质材料，对于减轻结构自重起到了重大的作用。同时，减轻结构自重另一个重要方面就是减轻填充墙体材料的重量。1丄2用优化方法减轻自重高层建筑有不同的结构形式，其中有部分的结构形式可以进行优化设计。高层建筑结构的优化设计从方法上来说即是以建筑物的总重最轻及造价最低为目标函数，以结构构件如框架梁、柱截面及剪力墙数为设计变量，以强度、刚度、稳定等为约束变量。在满足约束变量的情况下，变换其设计变量以达到最优化的设计。通过这样的对结构的优化，可以减少工程造价，并且减轻结构自重。1.2控制水平荷载对结构的影响对于高层建筑而言，水平荷载是结构设计的决定因素，

4、为了减少水平荷载对建筑结构的影响，必须采取如下措施。1.2.1选择合适的体型针对水平载荷对高层建筑的影响，首要的问题是为高层建筑选择合适的体型，不同的体型水平作用力的分布有着不同的变化。一个总的原则是建筑物的平面形状力求简单对称，尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式.避免使用凹型或凸型结构。当然，考虑到城市规划的要求以及建筑场地的限制，这一原则只是一个目标，实际工程实例当中，很难做到高层建筑的平面形式非常对称简单，但仍然要尽可能建筑平面形式对称，并将不规则部分的比值控制在许可的范围之内。同时，为了防止扭转振动的发生，必须尽可能使得高层建筑的重心、

5、刚度重心以及几何中心合一。1.2.2提高结构的侧向刚度（1）采用高刚度材料从材料的角度来说，目前我国高层建筑主要采用钢筋混凝土结构，因此如何充分发挥混凝土与钢筋的综合优势，对于提高结构的刚度意义重大。这两种材料根据设计要求可以有多种组合，比较常见的是型钢混凝土结构和钢管混凝土结构。型钢混凝土结构充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能，钢筋混凝土与型钢，共同受力，外包混凝土对型钢有较强的约束作用，可防止型钢的局部屈曲，提高了结构的整体刚度和抗扭能力。而钢管混凝土结构在高层建筑结构中的优势更加明显，由于在钢管中填入混凝土，混凝土受到钢管的套箍而有了更高的抗压强度

6、，而结构自身的刚度也得以大幅提高。（2）采用合适的抗侧力体系高层建筑的抗侧力体系主要有框架、剪力墙、框架一剪力墙、筒体等结构。这些结构抵抗水平荷载的能力各不相同，适用范围也不一样。针对高层建筑而言，筒体体系是最有效的抗侧力体系，其在我国的工程实例当中，应用的也最广泛。这种体系由若干个筒体作为竖向承重结构，靠筒体承受水平荷载，其抵抗水平荷载的特点是整个建筑犹如一个固定于基础的封闭空心悬臂梁，相对于单片平面结构而言，这种结构具有更大的抗侧及抗扭刚度。当然。在工程实例中，这种结构也并非十全十美，由于这种结构具有剪力滞后效应，其抗推刚度和水平承载力也被大大削弱，对此，

7、可以采取相关措施，如用刚臂或刚性圈梁提高框筒的抗推能力•或使用斜撑提高外框筒的抗推能力等等。1.2.3采用减振装置对于高层建筑而言，无论采用哪种结构体系或者抗侧力体系，侧向振幅是不可避免，对此，我们可用附加阻尼器（如粘弹性减震器）或动力阻尼器（如调谐液体阻尼器，即TLD）减少侧向振幅。粘弹性减震器由三块钢板夹以聚丙烯粘弹性材料组成，由它连接楼面拓架与外框筒柱，能够很快将水平动力转化为应变能或热能耗散掉。动力阻尼器。一般设置在建筑物的顶部，其自振周期等于或接近建筑物的第一自振周期，这样，它的惯性便可以抵消建筑结构的部分振幅。如调谐液体阻尼器就是放置于顶层的注水刚

8、性容器，结构的振动引起容器中水的振动，