关于高层建筑结构设计中的要素分析

来源:用户上传      作者:

　　摘要：文章分析了高层建筑结构的设计特点，以高层建筑结构设计理论为基础，以现行的国家相关规范标准为根据，对高层建筑结构经济性进行了深入的分析研究，得出了一些具有实用价值的结论，对高层建筑的优化设计具有很大的实用意义。
　　关键词：高层建筑；结构设计；轴向形变；侧移。
　　引言
　　我国改革开放之后，由于综合国力的不断提高，房地产业迅猛发展，高层建筑在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大，建筑结构设计方面的变化也越来越多，很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中。随着建筑类型与功能越来越复杂，高层建筑的结构体系也是越来越多样化，因此高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。
　　一、 高层建筑结构设计方面的原则
　　1.1 选用适当的计算简图：结构计算式在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当则会导致结构安全事故发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。
　　1.2 选择合适的基础方案：高层建筑基础如果设计方法不对或者选型不当，将严重影响建筑物的安全性。不恰当的基础设计，可能因承载力不足引起建筑物的不均匀沉降，导致建筑物开裂或倾斜，引起难以修复的工程质量问题。 选择合理的基础形式是降低工程造价的一个有效措施。基础工程在建筑工程造价中占有很大的比重，通常情况下可以达到25%左右，在结构复杂或者地质情况复杂时，所占比重还会有所增加。因此选择合理的基础形式能够有效降低工程造价。同时合理选择基础形式对缩短施工工期具有重要意义。 经过工程技术人员多年的实践与研究，高层建筑地基、基础共同作用的事实已被人们所认同。目前,最理想的分析方法是上部结构与地基、基础共同作用的分析方法。在这种方法中，地基、基础、上部结构之间，同时满足接触点的静力平衡和接触点的变形协调两个条件，即将上部结构、基础和地基三者看成是一个彼此协调的整体进行分析。基础选型的依据。在一般情况下，高层建筑基础设计选型时应考虑以下因素的影响： ①地质条件的影响。②上部建筑结构形式的影响。③要根据建筑结构的特点，荷载大小，建筑物层数，高度、跨度大小等因素来选择最佳的基础形式。④高层建筑基础设计应满足建筑物使用上的具体要求。
　　1.3 合理选择构方案：对高层建筑的结构布置，应该充分重视结构布置规则性的意义,制定合理的结构方案,这样会大大减轻计算调整的工作, 也为最终取得安全、合理、经济的设计成果打好了基础。一个合理的设计必须选择一个经济合理的结构方案，也就是要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。高层建筑结构设计不仅要求结构具有足够的强度，而且还要求有足够的刚度和足够的延性。规范要求同一结构单元不宜混用不同结构体系。选择合理的结构方案还应考虑材料供应、地理环境、施工条件等其他因素的影响。
　　1.4 正确分析计算结果：在结构设计中普遍采用计算机技术，但是由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。实际上《抗震规范》第3.6.6条《混凝土规范》第5.1.6条及《高规》第5.1.16条均规定，对结构分析软件的计算结果，应进行分析判断，确认其合理，有效后方可作为工程设计的依据。在计算机辅助设计时，由于结构实际情况与程序不相符合，或人工输入有误，或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，因而要求结构工程师在拿到电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。
　　1.5概念设计与理论计算同样重要：抗震设计可以分为计算设计和概念设计两部分。高层建筑结构的抗震设计计算是在一定的假想条件下进行的，尽管分析手段不断提高，分析的原则不断完善，但由于地震作用的复杂性和不确定性，地基土影响的复杂性和结构体系本身的复杂性，可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多，尤其是当结构进入弹塑性阶段之后，会出现构件局部开裂甚至破坏，这时结构已很难用常规的计算原理去进行分析。实践表明，在设计中把握好高层建筑的概念设计也是很重要的。
　　二 高层建筑结构设计的特点
　　2.1轴向形变不容忽视
　　通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了。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显著的改变。由于结构所受的竖向荷载并不是在结构完成之后一次施加的。特别是，占竖向荷载绝大部分的结构自重是在施工过程中逐层施加的，轴向压缩变形已在施工过程中分阶段完成因此在考虑轴向变形时，要考虑施工过程中分层施加竖向荷载这一因素，不能简单的按一次加载考虑，否则会出现一些不合理的计算结果，如邻近剪力墙和筒体的上层框架柱，在竖向荷载作用下出现拉力;上层框架梁出现过大弯矩和剪力等。此外还会对预测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。
　　2.2结构延性是高层建筑设计重要性质
　　延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示。对于受弯构件来说，随着荷载增加，首先受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压区高度减小，受压区混凝土压碎，构件最终破坏。从受拉钢筋屈服到压区混凝土压碎，是构件的破坏过程。在这过程中，构件的承载能力没有多大变化，但其变形的大小却决定了破坏的性质。是钢筋砼受弯构件的M－Δ（Φ）曲线，Δy是屈服变形，Δu是极限变形。提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力。高层建筑相对低层结构而言，结构设计更柔一些，如果遇到地震，震动作用下的建筑结构变形更大一些。为了做好防震设计，避免倒塌，建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，特别需要在构造上采以适当的设计，确保建筑设计具有很好的延性。
　　2.3侧移成为重要设计指标
　　 与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与建筑高度H的4次方成正比（△＝qH4/8EI）。
　　另外，高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，在设计中不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。否则会产生以下情况：
　　 1.因侧移产生较大的附加内力，尤其是竖向构件，当侧向位移增大时，偏心加剧，当产生的附加内力值超过一定数值时，将会导致房屋侧塌。
　　 2.使居住人员感到不适或惊慌。当高楼在阵风作用下发生振动的频率f为一定值时，结构振动加速度a与结构侧移幅值A成正比：a=A（2πf）。因而控制侧移幅值的大小成为保证高楼良好的居住和工作条件的关键因素。
　　 3.使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，使机电设备管道损坏，使电梯轨道变型造成不能正常运行。
　　 4.使主体结构构件出现大裂缝，甚至损坏。
　　三、建筑结构经济性分析
　　建筑结构经济性包括内容注重经济性的建筑设计包含非常广泛的内容。传统中只强调改进建筑材料保温性、改善建筑体形系数、提高建筑材料的气密性等一系列节能降耗措施，现在建筑随着形势的发展，人们对居住环境不仅从结构性出发，更要在建筑结构的经济性角度考虑，如空间组织、技术组织、结构设置、能源与资源利用，以及建筑循环再利用等方面全面地确立经济性的原则、方法。
　　建筑结构的经济性就是只以较少的成本来获得最大的效用。其中由美国建筑师、工程师R•B•富勒提出的“少费多用”原则是较常用普通的原则。“少费多用（more withless）”原则的含义是，凭借有效的手段或方式，利用最小化的量的材料、资源来投资，目的在于获得尽可能大的发展效益。“少费多用”原则，顺应目前的发展形势，在建筑坚持可续费发展的思路上，该原则是一条重要的、有效的、节约型的设计方式。
　　“少费多用”原则还体现在建筑空间组织、利用的高效化方面。原则坚持对平面面积的充分利用，还注重三维空间的挖掘。比如某市图书馆设计中提出了“ 模块式”图书馆的创作思路，将图书馆划分成不同的功能模块，采用不同的层高、柱网，进行类比布局。这样可以减少“三统一”标准空间所造成的浪费，充分发挥空间效益。某高效空间住宅的设计中则对厨房、厕所的上区、卧区上下等潜在空间进行了有效的利用。将每户主、次二个开间设置为不同层高，对应于不同的功能使用要求，大大提高了住宅空间的使用效益。
　　四、 结语
　　近些年来，我国的高层建筑建设发展迅速。但从设计质量方面来看，并不理想。在高层建筑结构设计中，结构工程师不能仅仅重视结构计算的准确性而忽略结构方案的具体实际情况，应作出合理的结构方案选择。高层建筑结构设计人员应根据具体情况进行具体分析掌握的知识处理实际建筑设计中遇到了各种问题。同时，对于经济实力还不发达的中国，推行能实现资源合理分配、利用，节约建筑造价的结构优化设计方法是势在必行的，也是刻不容缓的。建筑发展是一个高效化、集约化的综合系统工程，建筑设计者必须从当今经济现状和发展趋势出发，建立一个宏观的、合理的结构设计理念，合理确定建筑设计标准、经济性措施和原则，这样不仅满足设计各类需求，同时改善人类的居住环境。
　　

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-598281.htm