高層建築結構的設計特點及體系探析

1、高層建築結構的設計特點及體系探析對高層建築設計而言。設計前期的初步結構方案需通過結構軟件的計算分析。判斷該方案是否正確與合理。從而對其進行有 針對性的修改和優化。文章結合具體實例。介紹瞭分析判斷計算 結果的主要幾項內容及可采取的相應優化措施，以提高設計的準 確性和工作效率。隨著我國經濟和社會的快速發展，高層建築的數量日益增多。這些高層建築大多采用鋼筋混凝土剪力墻或剪力墻一簡體結 構。對高層鋼筋混凝土結構設計而言，在設計前期，通過建築師 與結構工程師的密切配合，正確運用結構概念設計理論，優選結 構體系，並進行總體結構佈置，可以初步得出一個性能良好、造 價經濟的結構方案，為後續結構設計打好基礎。然

2、而，初步設計 方案的優劣還需通過對分析軟件的計算結果進行研究和判斷，來 確定結構設計是否合理，以及是否需要進一步優化。因此，對計 算結果進行分析研究，是一項很重要的工作。本文結合某高層住 宅設計的實例，對分析軟件satwe的計算結果的幾項主要內容 進行分析判斷，並據此對初步結構方案進一步優化，提高工作效 率和設計的準確性1 高層建築結構設計特點1.1水平荷載成為決定因素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此 在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方 面，對某一定高度樓房來說，豎

3、向荷載大體上是定值，而作為水 平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨結構動力特性的不同而 有較大幅度的變化12軸向變形不容忽視。高層建築中，豎向荷載數值很大,能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影 響，造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端 支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產生影響，要求 根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整；另外對構件剪力和 側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏於不安全的結果13側移成為控制指標。與較低樓房不同，結構側移已成為 高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下 結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載

4、作用下的側移應 被控制在某一限度之內1.4結構延性是重要設計指標。相對於較低樓房而言，高樓 結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為瞭使結構在進 入塑性變形階段後仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要 在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性2 高層建築的結構體系2.1框架剪力墙體系。當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建築平面的適當位置設置較大的剪力墻來代 替部分框架，便形成瞭框架剪力墻體系。在承受水平力時，框 架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構 體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水 平剪力。框架-剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型

5、。剪力墻的設置, 增大瞭結構的側向剛度，使建築物的水平位移減小，同時框架承 受的水平剪力顯著降低且內力沿豎向的分佈趨於均勻，所以框架 剪力墻體系的能建高度要大於框架體系2.2剪力墻體系。當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受瞭 全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結構，其位移曲線 呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性, 傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結構體 系，能建高度大於框架或框架-剪力墻體系2.3筒體體系。凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系，包括單筒體、筒體框架、筒中筒、多束筒等多種型

6、 式。筒體是一種空間受力構件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實 腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結構單體，空腹筒是由密 排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。筒體 體系具有很大的剛度和強度，各構件受力比較合理，抗風、抗震 能力很強，往往應用於大跨度、大空間或超高層建築3 高層建築結構靜力分析方法3.1框架剪力墻結構框架-剪力墻結構內力與位移計算的方法很多，大都采用連 梁連續化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉角相等的位移協調 條件，可以建立位移與外荷載之間關系的微分方程來求解。由於 采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不 相同。框架剪力墻的機算方法，通常是將結構轉化

7、為等效壁式 框架，采用桿系結構矩陣位移法求解3.2剪力墻結構剪力墻的受力特性與變形狀態主要取決於剪力墻的開洞情 況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、 聯肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。不同類型的剪力墻, 其截面應力分佈也不同，計算內力與位移時需采用相應的計算方 法。剪力墻結構的機算方法是平面有限單元法。此法較為精確， 而且對各類剪力墻都能適用。但因其自由度較多，機時耗費較大, 目前一般隻用於特殊開洞墙、框支墻的過渡層等應力分佈復雜的 情況3.3筒體結構筒體結構的分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為 三類：等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效 連續化

8、方法是將結構中的離散桿件作等效連續化處理。等效離散 化方法是將連續的墻體離散為等效的桿件，以便應用適合桿系結 構的方法來分析。比等效連續化和等效離散化更為精確的計算模 型是完全按三維空間結構來分析筒體結構體系，其中應用最廣的 是空間桿-薄壁桿系矩陣位移法3.4混凝土構件配筋簡圖任何一個建築結構都要同時承受垂直荷載和風產生的水平荷 載，還要具有抵抗地震作用的能力。在較低樓房中，往往是以重 力為代表的豎向荷載控制著結構設計，水平荷載產生的內力和位 移很小，對結構的影響也就較小；但在較高樓房中盡管豎向荷載 仍對結構設計產生著重要影響，水平荷載卻起著決定性的作用。隨著樓房層數的增多，水平荷載愈益成為結

9、構設計中的控制因 素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的 軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載 對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中所引起的軸力，是 與樓房高度的兩次方成正比；另一方面對某一高度樓房來說，豎 向荷載的風荷載和地震作用，其數值隨結構動力特性的不同而有 較大幅度的變化。混凝土構件配筋簡圖是反映梁、柱、墻配筋信 息的，設計較為合理的結構一般不會有太多的超限截面，基本上 應符合以下規律。柱、墻大部分為構造配筋，剪力墻符合截面 抗剪要求；梁基本上無超筋，截面不滿足抗剪要求或抗扭超限 不多。在本結構的計算結果中，除個別的梁有超筋現象外（地震 作用引起）。均滿足上述要求，說明結構構件佈置及截面尺寸選 取是合適的，僅對個別超筋梁截面進行調整總之，在高層建築結構設計中，首先運用概念設計理論選定建築適合的結構體系及結構構件佈置，然後應用分析軟件對初步 結構方案進行計算，按上述幾個方面內容對計算結果進行分析研究，可判f出原結構設計不合理之處