概述高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計

陳揚(yáng)鵬

[摘要]隨著高層建筑高度、規(guī)模、投資與復(fù)雜性等逐步增大,結(jié)構(gòu)選型所面臨的對象及其所處環(huán)境、需考慮解決的問題及所用的知識日趨復(fù)雜,不僅要考慮到建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、建筑施工的要求,而且要從建筑設(shè)備安裝、結(jié)構(gòu)選材方面進(jìn)行考慮。因此,重新認(rèn)識結(jié)構(gòu)選型設(shè)計問題的本質(zhì)與規(guī)律,進(jìn)一步明確結(jié)構(gòu)選型的必要性與復(fù)雜性特征,既是現(xiàn)代高層建筑建設(shè)實(shí)踐的要求,也是全面認(rèn)識結(jié)構(gòu)選型問題的需要。

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)選型 結(jié)構(gòu)體系

一、高層建筑結(jié)構(gòu)選型

搞好結(jié)構(gòu)工程的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)選型。地震區(qū)高層建筑的體系選型,實(shí)際上屬于抗震概念設(shè)計范疇,它是在總結(jié)震害規(guī)律及工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以宏觀概念為指導(dǎo),正確地解決高層建筑的總體方案,選擇合理的結(jié)構(gòu)體系,以達(dá)到合理抗震。通常應(yīng)選擇對抗震有利的地段,選用整體性較好的基礎(chǔ),立體結(jié)構(gòu)應(yīng)具有合理的地震作用傳遞途徑,擁有多道抗震防線,具有必要的剛度和強(qiáng)度,具有合理的剛度和強(qiáng)度分布,避免豎面?zhèn)纫苿偠鹊耐蛔儭Ａ硗庖嘁诉x擇風(fēng)壓體型系數(shù)較小的形狀并限制高寬比。

對于低層、多層或高層建筑,其豎向和水平結(jié)構(gòu)體系設(shè)計的基本原理是相同的。但隨著高度的增加,由于以下兩個原因,豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計的控制因素:較大的豎向荷載要求有較大的柱、墻和井筒;更重要的是,側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多,必須精心設(shè)計。高層建筑的豎向結(jié)構(gòu)體系從上到下一層層地傳遞累積的重力荷載,因此要求較大的柱或墻截面來承受這些荷載。同時,這些豎向結(jié)構(gòu)體系還必須把風(fēng)荷載或地震作用等側(cè)向荷載傳給基礎(chǔ)?？墒?與豎向荷載相比,側(cè)向荷載對建筑物的效應(yīng)不是線性的,而是隨建筑物的增高而迅速增大。當(dāng)?shù)蛯踊蚨鄬咏ㄖ慕Y(jié)構(gòu)按恒載及活荷載設(shè)計時,柱、墻、樓梯或電梯井就自然能承受大部分水平力,問題主要是抗剪。在“矮”房子的框架中,可以填充一些墻板,甚至全部填滿墻板的辦法很容易獲得適當(dāng)?shù)母郊又涡Ч?而不必另外再加大原來豎向荷載所需要的柱和梁的尺寸。高層建筑并非如此。為了使高層建筑足以抵抗相當(dāng)大的側(cè)向荷載和側(cè)移,常常不得不進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)布置,柱、梁、墻和板的截面總是要大一些。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.水平荷載成為決定性因素。建筑物自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值, 僅與建筑物高度的一次方成正比; 而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩,以及由此在豎向構(gòu)件中引起的軸力,是與建筑物高度的二次方成正比;另外,對某一定高度建筑物而言,豎向荷載大體上是定值, 而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用,其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。

2.軸向變形不容忽視。高層建筑中,豎向荷載數(shù)值很大,能夠在柱中引起較大的軸向變形, 從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響, 造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小,跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大;還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響, 要求根據(jù)軸向變形計算值, 對下料長度進(jìn)行調(diào)整;另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響,與考慮構(gòu)件豎向變形比較, 會得出偏于不安全的結(jié)果。

3.側(cè)移成為控制指標(biāo)。與較低樓房不同, 結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加, 水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大,因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

4.結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標(biāo)。相對于較低樓房而言,高樓結(jié)構(gòu)更柔一些,在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力,避免倒塌,特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

三、高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

1.框架結(jié)構(gòu)體系。由梁、柱、基礎(chǔ)構(gòu)成平面框架,它是主要承重結(jié)構(gòu),各平面框架再由梁聯(lián)系起來,形成空間結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活。外墻采用非承重構(gòu)件,可使立面設(shè)計靈活多變。一般用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,由梁和柱通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)成承載結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)可形成靈活布置的建筑空間,使用較方便。但隨著結(jié)構(gòu)高度增加, 水平作用使得框架底部梁柱構(gòu)件的彎矩和剪力顯著增加, 從而導(dǎo)致梁柱截面尺寸和配筋量增加,增加到一定程度后,將給建筑平面布置和空間處理帶來困難, 影響建筑空間的正常使用。因而, 框架結(jié)構(gòu)主要適用于非抗震區(qū)和層數(shù)較小的建筑。

2.剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)體系是利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)體系。墻體同時作為維護(hù)及房間分隔構(gòu)件。剪力墻間距一般為3～8m,現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好,剛度大,在水平荷載作用下側(cè)向變形小,承載力要求容易滿足,適于建造較高的高層建筑。而且其抗震性能良好。剪力墻體系屬剛性結(jié)構(gòu), 其位移曲線呈彎曲型。剪力墻結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)剛度大、空間整體性好,用鋼量較省,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移和層間位移較小,能夠滿足抗震設(shè)計變形要求,且具有一定的延性,傳力直接均勻,抗倒塌能力強(qiáng)。

3.框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)體系由框架和剪力墻組成。剪力墻作為主要的水平荷載承受的構(gòu)件,框架和剪力墻協(xié)同工作的體系。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中,由于剪力墻剛度大,剪力墻承擔(dān)大部分水平力,是抗側(cè)力的主體,整個結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大提高?？蚣軇t承受豎向荷載,提供較大的使用空間,同時承擔(dān)少部分水平力。由于有了剪力墻,其體系比框架結(jié)構(gòu)體系的剛度和承載力都大大提高了,在地震作用下層間變形減小,因而也就減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞。這樣無論在非地震區(qū)還是地震區(qū),都可以用來建造較高的高層建筑?？蚣堋袅w系的能建高度要大于框架體系。

4.筒體結(jié)構(gòu)體系。筒體結(jié)構(gòu)體系由一個或多個筒體為主抵抗水平力。筒體是一種空間受力構(gòu)件, 分實(shí)腹筒和空腹筒兩種類型。實(shí)腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體, 空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。筒體結(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)就是它的空間受力性能。筒體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度,各構(gòu)件受力比較合理,抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng),往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。

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