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高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系 RSS 打印复制链接大中小发布时间: 2011-05-04 14:50:38 近些年来, 建筑业有了突飞猛进的发展, 城市规划设计中的高层建筑越来越广泛。它以其高度强烈地影响着规划、设计、构造和使用功能。就结构特性而言, 高层建筑是必须着重考虑水平荷载和竖向荷载组合影响的建筑物。设计高层建筑时, 它的结构除在上述荷载组合下的强度、刚度和稳定性应予以保证外, 还必须控制由风荷载( 或地震水平作用) 所产生的侧向位移, 防止由此产生的结构的和非结构性材料的破坏; 控制由风荷载造成顶部楼层的加速度反应, 以使用户对摆动的感觉和不舒适感降到最低程度。这就需要设计师从一开始就应该以一个立体的概念设计为基础。一、高层结构概念设计(一)高层结构概念设计的三维层次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。在该阶段分析总结构体系的荷载和抗力关系; 高宽比与抗倾覆; 承载力和刚度; 并预估基本分体系的相互关系。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。这些侧向荷载和重力荷载的组合,趋向于既可能将它推倒(受弯曲),又可能将它切断(受剪切) , 还可能使它的地基发生过大的变形, 使整个建筑物倾斜或滑移。对抗弯曲而言, 结构体系要做到不使建筑物发生倾覆, 其支撑体系的构件不致被压碎、压屈或拉断, 其弯曲侧移不超过弹性可恢复极限; 对抗剪切来说, 结构体系要做到不使建筑物被剪断, 其剪切侧移不超过弹性可恢复极限;对地基和基础来说,结构体系的各支撑点之间不应发生过大的不均匀变形, 地基和地下结构应能承受侧向荷载引起的水平剪力, 并不引起水平滑移。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。考虑水平荷载的传递有几种不同方式,进行结构方案优选,分析两种结构方案:一种为仅由核心筒承受水平力,外柱仅承受大部分竖向荷载,不抵抗水平力,梁和柱铰接;一种为纵横两个方向柱和梁刚接形成框架, 来抵抗纵横两个方向的水平力。在方案一中: 筒井所受的风荷载为 ×6× 8= ,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= × 36× 18/22896= , 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: × 36× 18/18= ,大致由每侧 9 根柱子平均分担 =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。二、高层建筑的结构体系通过受力因素分析, 下一步就考虑采用什么结构体系, 有下面几种高层建筑结构体系可供选择,其结构体系有:框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构、筒中筒结构等。根据其受力特点,结合高层概念设计的三维层次考虑,选取合适的结构体系或其组合体系。(一)框架结构体系由梁、柱、基础构成平面框架,它是主要承重结构,各平面框架再由梁联系起来,