浅谈高层建筑结构设计的注意事项

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  摘要:随着近年来房地产业的迅猛发展,如今高层建筑已是琳琅满目,其建筑结构设计同低层和多层建筑存在较大差别,并在建筑专业领域里占据着重要地位。本文首先阐述了高层建筑结构的布置方式,分析了高层建筑结构设计的特点,在此基础上对高层建筑结构设计的注意事项进行了探讨研究。
  关键词:高层建筑;结构设计;布置方式;注意事项
  0 引言
  近年来,我国经济发展水平逐年提高,人民群众的物质和文化生活水平也不断提升,因此对于居住环境有了更高质量的需求。而随着房地产业的迅猛发展,如今高层建筑已是琳琅满目,比比皆是,这种情况下,高层建筑结构设计已经成为土建设计人员的重要研究课题。作为土建设计人员,要求其必须了解高层建筑结构设计的基本原则和布置方式,同时更要把握好结构设计中的注意事项。唯有如此才能设计出技术领先、经济实用、安全可靠、质量优良的高层建筑。
  高层建筑是相对于多层建筑提出的概念,其评定判断的依据通常是看建筑的高度以及建筑的层数两其基本指标。然而,究竟多少层数以上或多少高度以上的建筑为高层建筑,世界范围内至今也未能形成明确统一的划分标准。在不同国家和各国家的不同时期,其规定也有差异,这与一个国家当时的社会经济发展水平是密切相关的。如美国规定高度为22-25m或7层以上的建筑为高层建筑;应该规定高度为24.3m以上的建筑為高层建筑;而日本则规定8层以上或高度超过31m的建筑为高层建筑。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2002)规定,10层及以上或者高度超过28m的混凝土结构民用建筑物为高层建筑。在结构设计时,高层建筑的高度一般是指从室外地面至檐口或主要屋面的距离,不包括局部突出屋面的楼电梯间、水箱间、构架等高度。随着社会经济的发展和人口的不断增长,我国城市化水平不断提高,人口密度越来越大,可被利用的建筑用地越来越少,高层建筑的发展顺应了这种趋势,它至少具有三个方面的意义:一是节约用地;二是节省城市基础设施费用;三是改善城市市容。
  1 高层建筑结构设计的特点
  高层建筑结构可以设想成为支撑在地面上的竖向悬臂构件,承受着竖向荷载和水平荷载的作用,与多层建筑结构相比,高层建筑结构的设计具有以下几个方面的特点。
  1.1水平荷载成为设计的决定因素
  对于高层建筑结构,一般是竖向荷载控制着结构的设计。随着房屋层数的增加,虽然竖向荷载对结构设计仍有着重要影响,但水平荷载已经成为结构设计的控制因素。而且,与竖向荷载相比,作为水平荷载的风荷载和地震作用,,其数值与结构的动力特性等有关,且具有较大的变异性。
  在竖向荷载和水平荷载作用下,如图1.1(a)(b)所示,高层建筑结构底部所产生的轴力N和倾覆力矩M与结构高度H分别存在着如下的关系式,即:
  结构底部的轴力
  N = ωH
  结构底部的倾覆力矩
  式中,ω、q、qmax分别为沿建筑单位高度的竖向荷载、均布水平荷载和倒三角形分布荷载的最大值(kN/m)。
  1.2 侧移成为设计的控制指标
  我们知道,随着建筑高度的增加,水平荷载作用下结构的侧移急剧增大,水平位移增加的速度最快,内力次之。因此,高层建筑结构设计时,为了有效的抵抗水平荷载产生的内力和变形,必须选择可靠的抗侧力结构体系,使所设计的结构不仅具有较大的承载力,而且还应该具有较大的侧向刚度,将水平位移控制在一定的范围内。
  1.3 延性成为结构设计的重要指标
  对地震区的高层建筑,应确保结构在地震作用下具有较好的抗震性能。结构的抗震性能主要取决于其能量吸收与耗散能力的大小,而它又取决于结构延性的大小。因此,为了确保建筑结构在进入塑性变形后仍具有良好的抗震性能,需加强结构抗震概念设计,采取恰当的抗震构造措施,来确保结构具有较好的延性。
  2 高层建筑结构设计的布置方式
  2.1 平面布置
  平面布置的形状相对简单,规则对称,可实现质心、钢心相重合,但当偏心较大时,结构的扭转效应也会增加,从而使端部的构件位移增大,造成应力集中。通常平面不应突出过长。对于扭转大小的问题,可以通过概念设计方法判断得知,其与钢心的质心以及偏心距的计算大体相同,此外还可对结构最远边缘处的最大层间变形与质心处的层间变形进行比较分析,当这一比率超过1.1时则扭转过大,结构就会发生不规则现象。
  2.2 立体布置
  立体布置的前提是要求规则均匀。这里的规则指建筑体型规则,如果发生变化,也是渐变体型向着竖直方面发生剧变。这里的均匀指上下体型、承载能力、刚度以及质量分布均匀,这种情况下的变化自然也是均匀的。建筑结构的设计应符合刚度下大上小,从下到上递减的原则。如果下层刚度过小,可能导致下部发生变形,出现薄弱层,甚至造成建筑倒塌的严重后果。即使改变体型的尺寸,也要按照下大上小的规则逐渐改变,切记不可出现过大突变问题。小尺度的收进上部楼层可能时常存在,但应注意对收进尺寸做好限制把握,如果收进部位过高,则收进以后的平面尺寸可能变小,相应的增大了结构的高振型反应。
  3.高层建筑结构设计的注意事项
  3.1基础设计
  (1)确保荷载能够可靠传递。要求建筑基础结构达到规定的强度与刚度标准,确保高层建筑的上部结构在基础顶面上产生的竖向的、水平向的荷载以及力矩,能够向基土或者桩顶进行可靠传递。
  (2)做好变形协调以防发生不均匀沉降。要求建筑基础结构位于上部结构和地基土中间位置,要求其平面分布和刚度大小要能够满足符合变形协调要求,防止不均匀沉降发生,降低整体或者局部挠曲现象。在多层建筑和高层建筑里,如果条形基础无法达到上部结构之于地基承载能力以及变形标准,或者建筑物风度要求较高时,可以用筏型基础进行取代。应用筏型基础时,其平面尺寸的地基土如果相对均匀,应尽管使基底平面形心与上部结构竖向永久荷载的重心达到重合。如果不重合则应在荷载效应准永久组合的前提下,对基底面积进行调整,从而使偏心距e满足e≤0.1W/A的要求,其中W代表与偏心距相同方向的基础底面边缘的抵抗矩;A代表基础底面面积。针对低压缩性地基、端承桩基基础而言,偏心距限制相对较少。根据这一公式进行计算,可分别考虑高层建筑主楼与裙房。   (3)进行内力分析时,对于基础结构、上部结构与地基土之间的共同作用要综合考虑,然而,工程设计时大都无法面面俱到,尤其是选取地基模型和参数时,严重影响到共同作用结果;然而针对构造、配筋等共同作用的结果则完全有必要进行认真考虑。如一处大面积整体筏型基础上如果同时建有多层、高层建筑,则计算机筒体下筏板的厚度与配筋时,就要根据共同作用基础变形情况以及基底反力来判断得出。高层建筑带裙房时,其主楼下筏板的挠度值要求在0.5‰以上,并且主楼和相邻裙房柱之间的差异沉降要求在1‰以内,各裙房柱之间的差异沉降要求在2‰以内。
  3.2剪力墙设计
  (1)剪力墙布置
  通过剪力墙平面布置要求符合均匀、对称、分散和周边要求。其中分散要求指剪力墙的片数不能过少,且剪力墙的片数刚度不可过大,连续尺寸不可过长,增加抗侧力构件的数量,达到分散的目的,要求各片剪力墙对应的弯曲刚度要合理,以防止其承担过大的内力,运用时即使个别墙发生局部破坏现象,也不至于对整体抗侧力性能产生影响,同时避免个别剪力墙受力过于集中而发生破坏的现象,给基础处理工作带来难度,并且同时也要考虑剪力墙距离远近、楼面刚度大小。周边要求指对建筑物的抵抗扭转能力充分考虑,确保刚度中心能够与平面中心相结合;剪力墙周边对称布置能够有效提高抵抗扭转能力。具体的剪力墙位置要求在平面形状的变化位置进行布置。对于端角、角隅以及凹角处通常应力较为集中,因此设置剪力墙十分必要。针对高层建筑电梯、楼梯、管道井等位置,如果进行楼面开洞作业,会对楼板刚度造成严重削弱,不利于框架同剪力墙的协同工作。所以,具体设计时通常使用钢筋混凝土剪力墙解决薄弱端部问题。剪力墙间距的计算,针对现浇钢筋混凝土楼盖来说以L/B=2-4较为适宜,针对装配整体式钢筋混凝土楼盖来说以L/B=1-2.5较为适宜,其以建筑物越高则抗震设防烈度越高取值越小为基本原则。
  (2)剪力墙数量
  针对剪力墙数量应根据许可位移来确定,根据高层建筑规范里的普通装修材料要求框架剪力墙结构顶点位移和高度比u/H控制在1/700以内,精装修时u/H控制在1/850以内为宜,在此条件下对剪力墙数量进行增减。通过判断剪力墙数量合理的办法是采取结构自振周期校核的方法,根据地震作用情况来看,当剪力墙的结构刚度较小时,相对的地震作用也较小,容易满足位移限制要求,然而该结构可能不符合工程设计标准要求,其结构自振周期可能不达标,通常的结构自振周期应满足T1=(0.09-0.12)NS要求,其中NS代表楼层数。当剪力墙数量较多时,则框架剪力墙的结构刚度较大,发生地震时的周期较短地震力较大,耗材也较多。具体结构设计时,应结合工程实际情况,以及建筑物的高度、所在位置的设防烈度等参考以上计算方式进行计算取值。
  3.3计算软件选择
  我国高层建筑结构设计方面,通常采用两种结构分析软件进行计算,其一是TAT、TBSA等三维杆系结构有限元分析软件,其应用的是薄壁杆件理论;其二是SATWE等三维组合结构有限元分析软件,其应用的是壳元理论。二者的差别在于前一种软件应用的是薄壁杆件理论,存在两条基本假定条件,即将相连的两个剪力墙进行模型化,视其为一个薄壁杆件单元,此外将上下层的洞口之间部分视为一个连系梁单元。其具有自由度相对较小,能够让复杂结构分析变得简单化,提高了运算速度和计算效率,硬件要求也相对较低,然而实际操作时,通常会对基本假定以外的计算模型简化掉,从而符合工程设计精度要求。后一种软件相对来说运算时间较长,硬件要求较高,所以本文重点分析TAT软件的几点注意事项:一是板柱体系最好不使用TAT软件,其通常要把樓板面化成带梁,但带梁宽取值问题很难做出科学判断;二是进行框支剪力墙、转换大梁分析过程中,如果采取薄壁杆件理论对框支墙进行分析,其是以点传力,这种情况下仅有薄壁杆件框肢墙的一点与转换大梁变形协调,因此变形关系同框肢转换结构原形存在较大差距,此外也无法对转换梁实际的轴向拉力进行准确判断;三是框支梁和剪力墙的连接方面,实际应用中可能存在剪力墙梁端弯矩的计算值过大以及梁超筋等问题,然而实际上的剪力墙平面外方向上刚度较小,梁对于剪力墙的约束也较少,这是因为程序要根据薄壁杆件提出的基本假定,梁必须由刚臂与剪力墙进行连接,使得剪力墙针对梁的嵌固作用变得虚假;四是如果不是同一截面或者剪力墙连接存在较大差异时,TAT软件的计算结果可能存在较大误差,因此设计时要避免剪力墙厚度发生较大变化;五是应用TAT软件时,可能因人防工程、地下室等外围护结构均有剪力墙存在,便有一道封闭连续墙体出现,不符合计算假定而进行简化,针对这一问题可对外围墙体计算忽略不计,应用构造配筋作为实际配筋,或者外围墙体按照上部墙段作以简化,所以结果作为参考之用。
  3.4位移限值大小
  高层建筑的定点位移限值与其数值大小以及振动频率具有直接关联。通常人们针对高层建筑的振动频率很敏感,但对震动幅度大小却并不敏感。所以,结构摆动频率较低时,高层建筑的舒适程度就相对较高。为防止因结构变形过大造成层间相对位移等问题,工程设计规范中对于位移限值要求较为严格,具体计算时可对其指标规定适当放宽,加之计算程序的算法不同,相同结构的计算也可能存在较大的层间位移误差。针对高层建筑来说,采取形心位移非常必要,而结构楼层的实际位移情况可以通过角点位移来判断。
  3.5竖向刚度变化
  要想调整高层建筑高度的竖向分布问题,应使混凝土墙厚度、柱截面尺寸沿竖向变化,同时混凝土等级的变化应达到三次左右为宜,同时进行彼此交错处理。实践计算可以看出,针对高层建筑的上下楼层刚度比应控制在0.77以内为宜,如果结构刚度变化较大,楼层可能存在突变受力的情况,例如地下室的顶板、塔楼大屋面、钢骨混凝土柱等,应对楼板进行加厚,同时进行双层配筋,使楼板平面刚度能够起到刚性横隔板的作用,确保建筑的使用安全。
  4 结语
  尽管近年来我国高层建筑呈现蓬勃发展之势,然而其总的结构设计远未达到理想要求,随着市场需求的日益复杂和多样,进行高层建筑结构设计时,要求设计师必须在首先遵循设计原则确保计算准确的基础上,还要密切结合实际情况,关注结构布置等问题,制定科学合理的结构设计方案,确保设计出技术领先、经济实用、安全可靠、质量优良的高层建筑。
  参考文献
  [1]赵西安.现代高层建筑结构设计[M].北京:科学出版社.2011.
  [2]于险峰.高层建筑结构设计特点及其体系[J].建筑技术.2011(24).
  [3]朱春明,刘铁锐,邱明兵,刘华.大底盘高层建筑基础设计要点及解决方案[J].建筑结构.2011(11).
  [4]徐自国,肖从真,任重翠.结构弹塑性分析对我国高层建筑抗震设计的启示[J].建筑结构.2011(11).
  [5]黄吉锋,杨志勇.建筑结构设计软件中的关键技术问题[J].建筑结构.2011(11).
  [6]田春雨,张宏,肖从真,曹进哲.上海中心大厦模型振动台试验研究[J].建筑结构.2011(11).
  [7]徐有邻,刘刚.我国混凝土结构基本理论及规范发展的回顾[J].建筑结构.2011(11).
  作者简介
  付丽文(1965-),女,汉族,辽宁辽阳人,副教授,大学本科,主要从事建筑工程设计与施工等方面的教学与研究工作。
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