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摘 要:介绍了高层建筑结构的设计特点,高层建筑结构常用的结构体系特点分析;结合某工程实例论述合理的结构选型,体现建筑使用功能、结构合理性、工程经济性因素对于结构选型的影响.


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关 键 词:高层建筑结构选型结构设计

1高层建筑结构的设计特点

在高层建筑结构的设计中,水平荷载是最为重要的因素[1].一方面,因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的增长速度远小于水平荷载;另一方面,对某一高度楼房来说,竖向荷载大体是定值;而作为水平荷载的风荷载和地震作用,其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化.

结构的延性是重要的结构设计标准[2].与较低矮的楼房相比,高层结构的柔度大一些,当发生地震时会发生较大的变形,为了使结构在塑性阶段具有更强的变形能力,不会倒塌,必须要在结构上采取相应的措施,如设计时应满足强柱弱梁、强减弱弯、强节点、强锚固的设计准则,使结构具有较高的延性.

侧移已经成为控制的指标.与较低矮的楼房相对比,结构的侧移已经成为影响高层结构设计的关键因素.由于高度的变化,水平荷载使结构的水平侧移迅速增加,所以结构的侧移必须在控制在一定的范围之内,如《高层建筑混凝土结构技术规程》中对楼层层间最大位移与层高之比提出了限值:框架体系为1/550;框架—剪力墙、框架—核心筒、板柱—剪力墙为1/800;筒中筒、剪力墙、框架外的转换层为1/1000.

侧移已经成为控制的指标.与较低矮的楼房相对比,结构的侧移已经成为影响高层结构设计的关键因素.由于高度的变化,水平荷载使结构的水平侧移迅速增加,所以结构的侧移必须在控制在一定的范围之内不能忽略轴向变形.在高层建筑设计中,竖向荷载能够使受压柱发生较大的轴向变形,从而使连续梁的弯矩发生不同程度的变化,使连续梁中部支座处的受拉弯矩变小,梁端支座处的和跨中的受拉弯矩增大,会影响预制构件的下料长度,还会对构件的侧移和剪力产生影响,会产生不安全的结果.

2常见高层建筑结构体系类型

常见的高层建筑结构体系有框架—剪力墙体系、剪力墙体系和筒体体系等.

框架—剪力墙体系是指在框架结构不能满足要求时,通过在建筑平面适当位置设置剪力墙来代替部分框架所形成的一种结构体系.在承受水平力时,框架和剪力墙通过足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系.体系中框架体系主要承受垂直方向的荷载,剪力墙主要承受水平荷载.由于有剪力墙的存在,结构的侧向刚度得到很大提高,使建筑物的水平位移减小.

剪力墙体系即为主体结构全部由剪力墙组成的结构体系.剪力墙体系属于刚性结构,其位移曲线呈弯曲型.剪力墙的强度和刚度都比较高,同时有一定的延性,传力直接均匀,整体性好,不易倒塌.

筒体体系分为单筒体、筒体—框架、筒中筒、多束筒等多种型式,其主要特点是以筒体为抗侧力构件.筒体可分为实腹筒和空腹筒两种类型.实腹筒是由平面或曲面墙体围成的三维竖向结构构件,空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件.筒体体系的刚度和强度很大,抗风和抗震能力很强,构件受力合理,

3结构体系的选定

经济性.判断结构方案的经济性好坏与否需要进行综合的经济分析,全面考察影响经济的各要素.从整体的和长远的角度,系统地考虑结构方案的经济性:第一,兼顾结构的一次性投资费用和全寿命期费用;第二,除了从建造成本上进行考量之外,还要注重材料和劳动力的节约.第三,把握投资资金的成本,综合考虑投资回报与建设速度之间的关系,寻找最佳的经济效益.

结构体系要满足建筑内部空间要求.高层建筑对于内部空间的要求因使用性质而异.建筑使用功能不同,建筑平面布置要求也会随之变化.一般情况下,小空间平面布置方案,仅适用于住宅以及旅馆的客房部;办公楼要求大小空间兼顾;餐厅、商场、展览厅需要大空间平面布置方案;舞厅和宴会厅,更要求内部无柱子的大空间.不同的结构体系平面布置的灵活程度和所能提供的内部空间是不同的:框架结构的建筑平面布置灵活,可实现大的内部空间;剪力墙结构建筑平面布置受剪力墙位置所限,只能实现小空间;框架—剪力墙体系建筑平面布置比较灵活,可实现较大的内部使用空间;框—筒体系建筑平面布置灵活,可产生大的内部使用空间;筒中筒体系建筑平面布置较灵活,可有较大的使用空间;多束筒体系建筑平面布置受限于密排柱网,但仍可产生大的内部使用空间.在结构方案设计阶段,应首先根据建筑的使用功能对内部空间的要求,选出候选结构体系,再结合其他因素综合确定经济有效的结构体系.

抗震设计.在确定结构体系时除了材料和建筑内部空间的要求外,还需进一步考虑抗震设计准则:传力明确,多道设防,具有足够的防倒塌能力,水平和竖向的强度与刚度分布均匀.再结合建筑的重要性、设防烈度、场地类别、房屋高度等选定经济有效的结构体系.

4工程实例选型分析

4.1工程概况

重庆某28层高层办公写字楼,总建筑面积25000㎡,下部吊2层,上部26层,未设地下室.层高3.3.m,建筑总高度93.8m,,结构总高度92.4m.

4.2方案

方案一:框架—核心筒体系.结构平面布置充分考虑有利于抵抗水平、竖向荷载,以及抗震设计准则,将建筑矩形中部设置电梯井筒体作为核心筒,在根据建筑平面的布置设置框架,结构平面布置满足规则对称,同时刚度也满足对称.框架和核心筒共同受力.竖向布置方面,承载力和刚度变化均匀连续无突变.

方案二:剪力墙结构体系.按照抗震准则设计的剪力墙具有较好的抗震性能.此建筑为28层的综合写字间办公楼,业主要求有大空间的办公空间和会议室.故剪力墙按照大开间布置间距6—8m,可充分发挥剪力墙墙体的承载能力,同时具有较好的经济技术指标.竖向布置方面,承载力和刚度变化均匀连续无突变.

4.3方案比较与选择

首先,是建筑使用功能的需求.对于方案一的结构体系,核心筒部分主要是服务性的房屋,而办公室

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用面积在框架部分.对于高层结构框架部分的框架柱截面较大,对建筑的使用有一定的影响,但是可以形成较大的使用空间满足业主要求.此外,框架部分的建筑平面布置灵活,造型活泼,易于满足多功能的使用要求.方案二的结构体系中,隔墙位置较为固定,剪力墙的布置在设计阶段完成,建筑投入使用之后平面布置难以改变.剪力墙结构使得房间内没有柱子和梁等外凸的构件出现,整齐美观,便于室内家具的布置.单从建筑使用功能的方面讲,框—筒结构体系更加适合现 公建筑.

其次,是结构的安全性与合理性.高层建筑受力特点与多层建筑最主要的区别在于侧向力成为影响结构内力、变形的主要因素,若侧移过大会造成附加弯矩增大,影响建筑物的舒适性和正常使用,甚至引起结构性破坏.是经过软件计算,方案一的周期、最大层间位移角明显高于方案二.方案一结构体系的侧向变形以弯曲为主,剪力变形为辅;方案二结构体系的侧向变形为弯曲变形.方案一和方案二的侧移曲线都比较光滑即没有薄弱层.虽然存在区别,但是在经过合理设计之后,两种方案都可以满足规范的要求.

再次,是结构的经济性.相对于方案二的剪力墙体系,方案一的框—筒结构体系具有混凝土使用量少即材料费少,施工周期短见效快的特点.所以具有明显的经济优势.

最后,是方案选择.综上,对于本例的高层办公楼,框—筒结构体系具有更为优秀的使用功能和经济性,所以选择方案一.

5结论

高层结构的结构体系有很多,而且

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