浅谈高层建筑结构体系及应注意的问题-建筑设计

发布时间：2022-10-05 10:10 热度：

浅谈高层建筑结构体系及应注意的问题

李仰乾

摘要：高层建筑的结构体系是随着社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展的。可以预见,在相当长的一段时间内,高层建筑将是世界上大部分国家在城市建设中的主要建筑形式。因此,掌握高层建筑的设计知识是建筑与土木领域技术人员的基本要求。

关键词：结构体系结构选型；结构设计

1、高层结构概念设计

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（I），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。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（Ⅱ），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。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。如果建筑物晃动得太厉害，还会使非结构构件（如玻璃窗、隔墙、装饰物等）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。在方案一中：筒井所受的风荷载为1.4×6×8=67.2KN/m，竖向荷载近似为15120KN，井简墙自重为6×36×（6+12）×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=67.2×36×18/22896=1.9m，超过核心范围（6/6=1m），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：67.2×36×18/18=2418.2KN，大致由每侧9根柱子平均分担2419.2/9=268，8KN/柱<7×3×9×10=1890KN，即比每根柱所承受的恒载小很多，基础不会向上抬起。因此方案二比方案一好，应采用方案二的结构。

2高层结构设计中确定结构体系应注意的问题

2.1结构的平面形状及立面型式

高层建筑结构要抵抗竖向和水平荷载作用,高层建筑结构中的抗侧力成为结构设计的主要问题,因此,平面形状宜简单、规则、对称,避免过多的外凸、内凹。在抗震结构中,结构体型、布置、构造措施的好坏比计算是否精确更直接影响结构的安全。比高层建筑更细柔的高耸结构设计时并不采用H/B来控制,而是通过计算确定附加弯矩等不利因素从而采用相应的措施,安全性同样能得到保证。因此,可以通过合理的基础和上部结构设计来考虑结构整体性和抗倾覆性的要求,适当突破高宽比的限值。

2.2高宽比限值

《钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程》(JGJ3- 91)中对高层建筑的结构高宽比H/B进行限值的目的是为了保证结构整体的稳定性和不倾覆。一般而言,随着建筑物高度的增加,倾覆力矩也将迅速增大,高宽比大的结构其安全性和经济性较差,所以高宽比限值原则上是需要的。如果钢筋不断,则混凝土伸缩时会引起钢筋产生预应力,如此力与正常受力方向一致,则降低了承载力。因此,不能一概用后浇带代替结构缝,应对后绕带的作用客观分析,对其带来的不利因素应充分考虑,必要时应采取其它措施加以弥补。

2.3水平加强层

国内高层建筑多为钢盘混凝土结构，为了满足施工方便,在加强层设计中伸臂多采用混凝土实腹吕梁，而用混凝土实腹大梁作为加强层的伸臂，会出现“强梁弱柱”，对抗震十分不利。对加强层的设置位置和设置数量还研究得不透，加强层设置在高层建筑的什么位置？一共设置几道才合理？《高规》对带加强层的高层建筑只是在结构布置和构造措施上相对简单的进了原则性的规定，应用于具体的实际工程时存在指导性的约束性不强的问题。

4.结构选型

搞好结构工程的关键还在于结构选型，如果选型不当，即使结构计算很精确，也有可能给结构的安全使用及耐久性带来无法弥补的缺陷，所以结构选型对于结构的全寿命优化有着举足轻重的作用。在非地震区的高层建筑，水平荷载以风荷载为主。在进行结构平面布置时，宜使用结构平面形状和刚度分布尽量均匀对称，以减轻风荷载作用下扭转效应对结构内力和变形的影响，并应限制结构高宽比，防止倾覆和失稳。地震区高层建筑的体系选型，实际上属于抗震概念设计范畴，它是在总结震害规律及工程经验的基础上，以宏观概念为指导，正确地解决高层建筑的总体方案，选择合理的结构体系，以达到合理抗震。通常应选择对抗震有利的地段，选用整体性较好的基础，立体结构应具有合理的地震作用传递途径，拥有多道抗震防线，具有必要的刚度和强度，具有合理的刚度和强度分布，避免竖面侧移刚度的突变。另外亦宜选择风压体型系数较小的形状并限制高宽比。

参考文献

［2］ 林同炎. 结构概念和体系.中国建筑工业出版社.2005年版

［3］李明. 建筑结构设计的思考.建筑结构.2004年第5期.

［4］刘建荣. 高层建筑设计与技术.中国建筑工业出版社,2007.05.

［5］ 胡文湛．浅谈高层建筑结构分析与设计［J］．江西建材，2006，（1）．