摘要:高层建筑体量较大,造价较高,发展高层建筑需要有雄厚的经济实力做后盾,随着我国经济的迅速发展,高层建筑如雨后春笋般地在全国各地迅猛发展,数量之多,速度之快,特别是近年来,高层建筑设计不断创新,各种复杂的高层建筑设计也不断涌现,而复杂的高层建筑大多属于不规则结构,甚至是特别不规则结构,其刚度和承载力分布不均匀,在强烈地震作用下容易形成薄弱部分、出现变形集中而可能遭受较严重的破坏。因此,如何确保此类高层结构在各种地震水准下的抗震安全,是从事结构抗震研究和抗震设计人员面临的共同课题。本文对高层结构整体设计进行讨论。
关键词:高层结构;整体设计;
一、结构设计的基本原则:注重概念设计,重视结构的选型与平、立面布置的规则性,择优选用抗震和抗风好且经济的结构体系,加强构造措施。在抗震设计中,应保证结构的整体性能,使整个结构具有必要的承载力、刚度和延性。结构的概念设计有的有明确的标准,有量的界限,但有的可能只有原则,需要设计人员设计时认真去领会,并结合具体情况去创造发挥。概念设计对结构的抗震性能起决定性作用。强调结构概念设计的重要性,旨在要求建筑师和结构工程师在高层建筑设计中应特别重视有关结构概念设计的各项规定。由于目前编写计算程序时采用的计算模型不能完全反应结构的实际受力情况,因此,设计时不能不管结构的规则性,认为只要计算通得过就可以。结构的规则性和整体性是概念设计的核心。若结构严重不规则、整体性差,则仅按目前的结构设计计算水平,难以保证结构的抗震、抗风性能,尤其是抗震性能。目前抗震设计方法主要基于整个结构能发挥耗散地震能量的作用的假定,在此假定的前提下才能按多遇地震作用进行结构的计算和设计,或采用动力时程分析进行验算,以达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用,避免结构出现敏感的薄弱部位。地震能量如果只是集中在极少数薄弱部位,将会导致结构的过早破坏。
二、结构的合理构成:
2.1结构的对称性,实际工程中理想的绝对均匀对称的高层建筑结构几乎不存在的。但是结构的均匀对称有利于结构的抗风,有利于结构在重力荷载下正常工作,它是一个好的高层建筑结构设计的重要标志。结构的对称性内含与建筑之中,它主要指的是高层建筑中抗侧力的主体结构的对称。不对称的建筑如平面形状复杂的L,T形等高层建筑,楼电梯间偏于平面一侧活一角的高层建筑等,内含结构的基本对称仍是有可能实现的。这主要取决于结构工程师结合建筑平面的功能和需要进行合理的结构布置,如可以设法调整结构的刚心与建筑物质心、平面的形心尽量接近,从而实现结构的基本对称。结构的较大不对称,将引起结构在水平侧力作用下产生较大的扭转变形,不利于结构侧移力,不利于非结构构件如填充墙、幕墙的正常工作,同时要造成结构耗材,成本较大的增加。所以高层建筑的主体结构对称性十分重要,要注意在可能条件下尽量予以满足,这点在建筑平面布置中尤需特别加以注意。
2.2、结构的均匀性,结构的均匀性主要体现在:(1)、高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的侧向刚度要比较接近,变形特征要比较相近。这是因为实际的高层建筑结构都是三维空间的,实际的地震作用、风荷载具有任意的方向性,高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀,就能具有比较良好的抗震抗风性能。(2)、高层建筑主体抗侧力结构沿竖向断面、构成变化比较均匀,不要突变。这里主要指层剪切刚度不要突变。这种均匀的高层建筑结构可以避免因薄弱层的破坏二引起的结构整体破坏。(3)、高层建筑主体抗侧力结构的平面布置,应注意同一主轴方向各片抗侧力结构刚度尽量均匀,应避免在主体结构的布置中设置某一、二片刚度特别大二延性较差的结构。同一主轴方向的各片抗侧力结构刚度均匀,水平荷载作用下应力分布将比较均匀,有利于结构抗震延性的实现。
避免个别构件刚度过大,地震发生时吸收较大的能量,应力集中而首先破坏,从而引起整体结构的破坏。(4)、高层建筑主体抗侧力结构的平面布置还应注意中央核心与周边结构刚度的协调均匀,保证主体结构具有较好的抗扭刚度,以避免高层建筑物在地震或风的扭转作用下产生过大的扭转变形,而引起结构或非结构的破坏。
2.3、荷载的传力直接
(1)、垂直荷载的传力直接,通常指由楼屋盖梁板垂直重力荷载的受荷点、线、面通过楼屋面板、梁、将垂直重力荷载传递到竖向构件柱、墙,而后由柱、墙传到基础、在由基础传到地基。其中,楼屋盖梁系的布置,应尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件上去。在正常工作条件下,垂直重力荷载并不以人为的计算假定来传递转移,而是根据实际结构布置中构件的竖向刚度来转移,即刚度大的构件比刚度下的构件吸收更多的重力荷载。竖向构件的布置,应尽量使竖向构件在垂直荷载作用下的压应力水平接近均匀,以避免竖向构件之间压应力的二次转移。应为压应力的二次转移是以梁板柱变形协调传递为代价的,势必要使梁板柱产生一定的附加二次内力,从而增加其用钢量和断面,造成材料的浪费和造价的增加。转换结构的布置,应尽量做到使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层一次至多二次转换,即能传递到下部结构上去。
(2)、水平荷载的传力直接。首先,整体抗侧力结构必须体系明确、传力直接,侧移力结构宜尽量贯通连续,若他们沿竖向有变化,变化要均匀。其次,作为一个实际的高层建筑结构,其抗侧力结构通常是一个 三维的空间结构,为要使此空间结构中个部分抗侧力结构都能有效的参加抗侧力工作,发挥作用,最基本的要求是楼屋盖要具有一定的刚度和承载力,以能可靠有效地传递水平力。协同空间结构中个部分抗侧力结构工作。
2.4、结构的合理刚度
1、楼屋盖结构的合理刚度,主要指楼屋盖梁板截面尺寸要选择合理,布置适当。楼屋盖的刚度过小,梁板变形过大,影响美观,也容易造成地面装修、填充墙、门、窗损坏,,楼屋盖 刚度过大,梁板截面大,结构自重增加,结构占据的空间大,也影响建筑的使用,同时增加建筑成本。
2、主体抗侧力结构的合理刚度,一栋高层建筑犹如一根竖直放置嵌固于地基的开孔、带横肋的巨型空间构架式的“悬臂梁”。它不仅承受“梁”内所有重力荷载的作用并保证稳定,而且要承受风、地震等水平荷载的作用并保持一定的刚度,避免过大的水平位移和振动,保证“梁”内各种建筑装饰、幕墙、填充墙、机电设备不受损坏,以提供“梁”内工作生活的人们有一个舒适的环境,所谓高层建筑结构侧移刚度就是这根“悬臂梁”抵抗水平荷载作用的抗弯刚度。首先主体抗侧力结构的刚度要满足规范规定的水平位移、整体稳定、结构延性的要求,保证高层建筑结构的正常工作,同时高层建筑结构的刚度不宜过大,应该合理。如果结构的刚度过大,结构的基本自振周期较短,地震作用加大,结构承受的水平力,倾覆弯矩加大,地基基础的负担加大,且此时的结构的截面和相应的构造配筋增加较大,不经济。合理的高层建筑主体抗侧力结构刚度应以满足规范和略大于规范限值要求,结构的延性和安全储备主要来源于合理的结构构造和精心的设计。单纯靠加大结构截面来加大刚度,有时适得其反,如果必须注意的配筋构造措施等没有相应跟上,反而会造成结构的隐患,多花了材料、成本,反而损坏了结构的延性和安全度;同时也造成结构所占的面积、空间加大,降低建筑平面的利用。
结语:高层建筑结构设计,要明确把握的核心点就是均匀性,使各构件在重力荷载及水平荷载及其他非荷载相应下受力都比较均匀。使之始终都处于良好的工作状态,都能充分发挥作用,达到高层建筑结构设计更加经济有效合理安全的目的。
参考文献
[01] JGJ 3-2010.?高层建筑混凝土结构技术规程?[S].
[02] GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].
[03] JGJ-2010.高层建筑混凝土结构技术规程应用于分析[S].