實(shí)例分析高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念

摘要：高層建筑作為城市發(fā)展的標(biāo)志性建筑已經(jīng)凸顯出其重要性。而建筑向高層發(fā)展也是城市現(xiàn)代化建設(shè)的一個(gè)明顯特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)建筑具有層數(shù)高、體積大、空間大等優(yōu)勢。這種建筑特點(diǎn)勢必也會(huì)給建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文將結(jié)合實(shí)例，對高層建筑中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析、位移比、剪切比、周期比等重要指標(biāo)進(jìn)行研究介紹，以期分析高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念

關(guān)鍵詞：高層建筑;建筑結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)理念;實(shí)例分析

1、引言

高層建筑可以為日益加劇土地面積稀少提供足夠的生存空間，可以有效地減少人口增長和土地不變之間的矛盾，也能從社會(huì)功能上滿足大眾需求。高層建筑雖然在各方面都有這樣不同的優(yōu)勢，但其對建筑結(jié)構(gòu)要求也提出了更高的挑戰(zhàn)。比如在要求具備足夠的抗震強(qiáng)度，抵抗大風(fēng)的強(qiáng)度，防火設(shè)計(jì)等級(jí)要明顯高于一般建筑。高層建筑高度較高，承載力大，對建筑結(jié)構(gòu)上要求具有一定的剛度、延性，因此在設(shè)計(jì)、材料選擇、施工工藝、成本上都需考慮周全。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1水平載荷影響

對于較低層設(shè)計(jì)的樓房來說，水平載荷的影響是較小的故而對建筑的結(jié)構(gòu)也影響較小，受到的垂直荷載較大。對于高層建筑來說，水平載荷的影響就顯得至關(guān)重要，而且隨著建筑層數(shù)、高度的增加，水平載荷的作用會(huì)越發(fā)明顯，由水平載荷作用影響下建筑產(chǎn)生的水平位移增大，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上就要求有足夠的剛度來抵抗側(cè)向位移，或是將位移控制在一定的范圍內(nèi)，保證建筑的安全性和舒適性。

2.2豎直載荷影響

對于高層建筑除了水平載荷的影響外，豎直方向的重力影響也是不可忽視的一點(diǎn)。由于高層建筑的軸力值大，沿著建筑高度方向積累的軸向形變顯著，其會(huì)影響整體載荷在整棟建筑中的分布，一般情況下建筑設(shè)計(jì)上會(huì)使得水平或是側(cè)向載荷最終轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直向載荷，若發(fā)生軸向形變則容易引發(fā)載荷分布不均，會(huì)導(dǎo)致軸向壓縮變形。

2.3建筑結(jié)構(gòu)整體剛度的影響

除了上述兩種載荷的影響外，還需要考慮到建筑的抗震能力。高層建筑的剛性結(jié)構(gòu)決定了在抗震中吸收與釋放能量的大小。剛性結(jié)構(gòu)能在地震中吸收大量的能量，釋放較小的能力，柔性結(jié)構(gòu)則相反。故而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還需考慮到抗震設(shè)計(jì)，保證建筑的使用壽命和安全。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1框架體系

框架體系是傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)承重體系，其是由樓板、柱、梁和基礎(chǔ)承重構(gòu)件組成。此體系具有建筑平面布置較靈活的的特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)自重較輕，但是其抗側(cè)向能力不強(qiáng)，在水平載荷和地震中容易遭到破壞，通常使用于建筑高度較低的建筑中。

3.2剪力墻體系

為了提高高層建筑的抗側(cè)向力的剛度，目前采用剪力墻結(jié)構(gòu)來保障建筑承受側(cè)向水平載荷的作用時(shí)的強(qiáng)度。剪力墻是建筑的豎向承重結(jié)構(gòu)均有剪力墻組成，以此來承受建筑受到的側(cè)向水平載荷和豎直載荷。由于該體系具有剛性好、形變小，而且可以有效的減少建筑中承重柱的數(shù)量，在一定程度上使實(shí)際面積增加，美觀內(nèi)部空間的效果已經(jīng)被大量應(yīng)用在高層建筑和需要考慮內(nèi)部空間美觀設(shè)計(jì)的建筑中。

3.3混合體系

在框架體系中通過設(shè)置剪力墻可以有效的抵抗水平載荷的作用，利用框架和剪力墻構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)，使建筑的水平載荷由剪力墻承擔(dān)主要部分，框架承擔(dān)小部分的水平荷載。由于具備了兩種體系的優(yōu)勢，其剛度和強(qiáng)度都大大提高，該方法適用于在重災(zāi)區(qū)進(jìn)行高層建筑時(shí)采用，而且通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來美觀框架體系的承重柱。此外還有一種結(jié)構(gòu)是通過框架和剪力墻組合形成筒狀結(jié)構(gòu)，將樓板與筒狀結(jié)構(gòu)相互連接形成一個(gè)整體，構(gòu)成承重支架。無論從哪個(gè)方面受力該結(jié)構(gòu)都可以有效的分?jǐn)偪棺冃巍?/p>

4、某高層建筑實(shí)例分析

某商業(yè)塔樓建筑高度為98.2米，地上設(shè)計(jì)為25層，地下設(shè)計(jì)為3層，塔樓周邊設(shè)計(jì)有裙樓高度為19米，工程級(jí)別為一級(jí)，本工程地質(zhì)勘查符合工程建筑設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)載荷大，塔樓的最大單柱載荷為18000kN，裙樓的最大單柱載荷為8000kN。由于高層建筑設(shè)計(jì)主要考慮水平載荷對建筑的影響，本商業(yè)樓按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)防，抗震設(shè)防烈度為7°。設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，因地震產(chǎn)生的加速度取0.05g，設(shè)計(jì)地震為一級(jí)。取基本風(fēng)壓為0.3KN/m2，考慮地震、水平載荷和重力載荷的共同影響進(jìn)行設(shè)計(jì)。

考慮到該塔樓的使用狀況和使用要求確定承重結(jié)構(gòu)體系為：框架-剪力墻混合體系;抗震結(jié)構(gòu)為：框架與剪力墻均為一級(jí)。確定了結(jié)構(gòu)體系后則應(yīng)該根據(jù)內(nèi)部使用功能進(jìn)行平面布置，選擇承重構(gòu)件的尺寸、混凝土等級(jí)、鋼筋規(guī)格等。在地震時(shí)剪力墻承受地震水平方向應(yīng)力，框架體系同樣要承受地震水平向應(yīng)力，則在框架設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)中應(yīng)加強(qiáng)抗水平力的強(qiáng)度。在實(shí)際選取中應(yīng)選擇較高規(guī)定要求，即對框架數(shù)量從建筑上層向下由變化時(shí)，應(yīng)取每段最下一層的結(jié)構(gòu)對應(yīng)的地震標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力作為總剪切力，每段框架中所承受的最大地震剪切力應(yīng)取最大值。

過大的偏心會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)力，同時(shí)為了考慮到地震效應(yīng)偶然偏心的影響，該建筑高度屬于A級(jí)高度，不超過120m，則要求該建筑產(chǎn)生的豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍。本建筑中的X方向與Y方向的最大水平位移和平均水平位移的比值，最大層間位移和平均層間位移的比值，層間位移角均滿足設(shè)計(jì)要求。由于受地震影響下，對基本周期大于3.5秒的結(jié)構(gòu)，計(jì)算得出的地震水平作用對結(jié)構(gòu)的影響較小。為了規(guī)范地震水平力和樓層間平均水平力對建筑結(jié)構(gòu)的影響，《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出了最小值的要求以保證建筑的安全性能。本工程在設(shè)計(jì)時(shí)選取18"個(gè)振型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示兩個(gè)方向有效質(zhì)量系數(shù)均超過90%，說明計(jì)算振型數(shù)足夠，不需進(jìn)行調(diào)整。

在正常設(shè)計(jì)中為了避免出現(xiàn)下部樓層因受力大，剛度小而引起的變形，下部樓層的側(cè)向剛度要大于上部樓層。所以對下部樓層與上部樓層的剛度比值進(jìn)行限制，按照該建筑的設(shè)計(jì)《高層建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的樓層與相鄰的上一層側(cè)向剛度的比值不應(yīng)小于0.9，當(dāng)本層高度大于相鄰上層高度的1.5"倍時(shí)，比值不應(yīng)小于1.1，對結(jié)構(gòu)底部嵌固層，比值不應(yīng)小于1.5;對于形成的軟弱層應(yīng)加強(qiáng)。如果樓層剛度比的計(jì)算結(jié)果不滿足要求，計(jì)算時(shí)應(yīng)將該樓層定義為薄弱層，并按規(guī)定對豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的薄弱層設(shè)計(jì)的地震剪力取1.15倍，此外還應(yīng)對結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)、樓板、弱連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，從而加強(qiáng)薄弱部位。

對高層建筑而言，由于重力二階效應(yīng)較為明顯，使結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)應(yīng)力增加，當(dāng)結(jié)構(gòu)位移變大時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此樓層的剛重比則主要是控制在水平載荷和地震水平載荷的作用下，重力二階效應(yīng)不致于過大來保障建筑的整體穩(wěn)定性。本工程計(jì)算得出：X方向的剛重比為3.2;Y方向的剛重比為2.6，整體滿足規(guī)范中要求的限制。

4、結(jié)語

框架-剪力墻的混合結(jié)構(gòu)體系是高層建筑中最常用的結(jié)構(gòu)體系，也是較好的一種結(jié)構(gòu)體系。通過對結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算來判定結(jié)構(gòu)的合理性和經(jīng)濟(jì)性，在設(shè)計(jì)中要將框架和剪力墻兩種不同的因素協(xié)調(diào)起來，才可以取得較好的效果。本文通過對某商業(yè)塔樓的建筑分析、分析其常見的幾個(gè)重要指標(biāo)，對高層建筑中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些參考。

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