本站原创摘 要：论文阐述了对高层建筑结构设计的认识和体会.主要讲述高层建筑结构设计的四个特点即水平荷载成为决定因素、轴向变形不容忽视、侧移成为控制指标、结构延性是重要设计指标；高层建筑的常见结构体系有框架-剪力墙体系、剪力墙体系、筒体体系；对高层建筑结构设计常见问题从结构选型、地基与基础设计、结构计算与分析三个方面进行了探讨.
关 键 词：高层建筑；结构计算；结构选型
随着高层建筑在我国的迅速发展,建筑高度的不断增加,建筑类型与功能的愈来愈复杂,结构体系的更加多样化,高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在.
1高层建筑结构设计特点
1）水平荷载成为决定因素.一方面,因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩,以及由此在竖向构件中引起的轴力,是与楼房高度的两次方成正比；另一方面,对某一定高度楼房来说,竖向荷载大体上是定值,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.
2）轴向变形不容忽视.高层建筑中,竖向荷载数值很大,能够在柱中引起较大的轴向变形,从而会对连续梁弯矩产生影响,造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；还会对预制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；另外对构件剪力和侧移产生影响,与考虑构件竖向变形比较,会得出偏于不安全的结果.
3）侧移成为控制指标.与较低楼房不同,结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素.随着楼房高度的增加,水平荷载下结构的侧移变形迅速增大,因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内.
4）结构延性是重要设计指标.相对于较低楼房而言,高层建筑结构更柔一些,在地震作用下的变形更大一些.为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力,避免倒塌,特别需要在构造上采取恰当的措施,来保证结构具有足够的延性.
2高层建筑的结构体系
1）框架-剪力墙体系.当框架体系的强度和刚度不能满足要求时,往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架,便形成了框架-剪力墙体系.在承受水平力时,框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系.在体系中框架体系主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平剪力.框架-剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型.剪力墙的设置,增大了结构的侧向刚度,使建筑物的水平位移减小,同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀,所以框架-剪力墙体系的能建高度要大于框架体.
2）剪力墙体系.当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时,即形成剪力墙体系.在剪力墙体系中,单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力.剪力墙体系属刚性结构,其位移曲线呈弯曲型.剪力墙体系的强度和刚度都比较高,有一定的延性,传力直接均匀,整体性好,抗倒塌能力强,是一种良好的结构体系,能建高度大于框架或框架-剪力墙体系.
3）筒体体系.凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系,包括单筒体、筒体-框架、筒中筒、多束筒等多种型式.筒体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类型.实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体,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.筒体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震能力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层.
3高层建筑结构设计应注意的问题
31结构选型
对于高层建筑结构而言,在工程设计的结构选型阶段,应注意以下几点：
1）结构的规则性问题.新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动,新规范在这方面增添了相当多的限制条件,例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等,而且新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案.”因此结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意,以避免后期施工图设计阶段工作的被动.
2）结构的超高问题.在抗震规范与高规中,对结构的总高度都有严格的限制,尤其是新规范中针对以前的超高问题,除了将原来的限制高度设定为高度的建筑外,增加了B级高度的建筑,因此必须对结构的该项控制因素严格注意,一旦结构为B级高度建筑或超过了B级高度,其设计方法和处理措施将有较大的变化.在实际工程设计中,出现过由于结构类型的变更而忽略该问题,导致施工图审查时未予通过,必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况,对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大.
3）嵌固端的设置问题.由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防,嵌固端有可能设置在地下室顶板,也有可能设置在人防顶板等位置,因此在这个问题上,结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面,如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题,而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患.
4）短肢剪力墙的设置问题.在新规范中对墙肢截面厚度不大于300mm且高厚比为4～8的墙定义为短肢剪力墙,且根据实验数据和实际经验,对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制,因此在高层建筑设计中,结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙,以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦.
32地基与基础设计
地基与基础设计一直是结构工程师比较重视的方面,不仅仅由于该阶段设计过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行,同时也是因为地基基础也是整个工程造价的决定性因素,因此,在这一阶段所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失.在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题.由于我国占地面积较广,地质条件相当复杂,作为国家标准,仅仅一本《地基基础设计规范》无法对全国各地的地基基础都进行详细的描述和规定,因此,作为建立在国家标准之下的地方标准.地方性的“地基基础设计规范”能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确,所以在进行地基基础设计时,一定要对地方规范进行深入地学习,以避免对整个结构设计或后期设计工作造成较大的影响.33结构计算与分析
在结构计算与分析阶段,如何准确,高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理,是决定工程设计质量好坏的关键.由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分相当多的内容进行了调整和改进,因此,对这一阶段比较常见的问题应该有一个清晰的认识.
1）结构整体计算的软件选择.目前比较通用的计算软件有：SATWE、TAT、GSSAP等,但是由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异,因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同.所以在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件,并从不同软件相差较大的计算结果中,判断哪个是合理的,哪个是可以作为参考的,哪个又是意义不大的,这将是结构工程师在设计工作中首要的工作.否则,如果选择了不合适的计算软件,不但会浪费大量的时间和精力,而且有可能使结构有不安全的隐患存在.
2）是否需要地震力放大,考虑建筑隔墙等对自振周期的影响.该部分内容实际上在新老规范中都有提及,只是在新规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数.
3）振型数目是否足够.在新规范中增加一个振型参与系数的概念,并明确提出了该参数的限值.由于在旧规范设计中,并未提出振型参与系数的概念,或即使有该概念,该参数的限值也未必一定符合新规范的要求,因此在计算分析阶段必须对计算结果中该参数的结果进行判断,并决定是否要调整振型数目的取值.
4）多塔之间各地震周期的互相干扰,是否需要分开计算.一段时间以来,大底盘,多塔楼的高层建筑类型大量涌现,而在计算分析该类型高层建筑时,是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算,还是将结构人为地分开进行计算,是结构工程师必须注意的问题.如果多塔间刚度相差较大,就有可能出现即使振型参与系数满足要求,但是对某一座塔楼的地震力计算误差仍然有可能较大,从而使结构出现不安全的隐患.
5）非结构构件的计算与设计.在高层建筑中,往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件.对这部分内容,尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时,由于高层建筑的地震作用和风荷载均较大,因此,必须严格按照新规范中增加的非结构构件的计算处理措施进行设计.
4结语
总之,高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程,任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素.以上也只是笔者在设计过程和设计管理过程中对高层建筑结构设计一些浅薄的认识.