论文部分内容阅读
【摘要】随着城市建设的快速发展，高层建筑受到更多人的关注，当高层建筑的层数和高度增加到一定程度时，它的功能适用性、技术合理性和经济可行性都将发生质的变化。与多层建筑相比，在设计上、技术上都有许多新的问题需要加以考虑和解决。文章对影响高层建筑结构设计的各因素进行了深入的分析与探讨，为高层建筑的结构设计积累了经验。
【关键词】设计要点;框架结构分析;结构设计
城市的发展加快了高层建筑的迅猛发展，世界各国对高层建筑的高度和层数界限的规定并不一致。中国1982年施行的《高层建筑防火设计规范》中规定，超过10层的住宅建筑和超过24米高的其他民用建筑为高层建筑。美国的高层建筑是指3O～40层以及更高的建筑。日本规定住宅超过2O层。旅馆、办公楼超过30层者为超高层建筑。1972年国际高层建筑会议将高层建筑分为4类：第l类为9～16层(最高5O米)，第2类为l7～25层(最高75米)，第3类为26～40层(最高100米)，第4类为4O层以上(高于100米)。
现代高层建筑是随着城市的发展和科学技术的进步而发展起来的，在土地资源日益紧张的今天，高层建筑有利于节约用地、解决住房紧张、减少市政基础设施和美化城市空间环境。可以说，现代高层建筑的发展，开创了整个建筑时代的新纪元。
１．设计要点
当高层建筑的层數和高度增加到一定程度时，它的功能适用性、技术合理性和经济可行性都将发生质的变化。与多层建筑相比，高层建筑的受力特点一是要考虑柱(墙)轴向变形及截面剪切变形对结构内力和变形的影响，二是水平力(风及地震作用)所产生的结构内力和位移常为结构设计的控制因素。
现就结构方面的要求做探讨： (1)考虑高层建筑遇到巨大风力和地震力时所产生的水平侧向力； (2)严格控制高层建筑体型的高宽比例，以保证其稳定性； (3)使建筑平面、体型、立面的质量和刚度尽量保持对称和匀称，使整体结构不出现薄弱环节； (4)妥善处理因风力、地震、温度变化和基础沉降带来的变形节点构造； (5)考虑在重量大、基础深的地质条件下如何保证安全可靠的设计技术和施工条件问题。
高层建筑结构的基本单元有框架、剪力墙、核心筒和框简，可以组成许多结构承重体系，常用的有框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、简体结构，以及用于超高层的其他结构体系形式。为了使结构物在水平力作用下具有足够的承载能力、刚度和延性，高层建筑的体型应是简单规则的，结构布置也应力求较规则，建筑物的高宽比和基础埋深应满足一定的要求，楼、屋盖在水平面内的刚度也应予保证。现以框架结构设计进行分析。
2.框架结构设计分析
2.1框架结构构造要求
2.1.1沿梁全长顶面和底面应至少各配置两根纵向钢筋，直径不应小于12mm。纵向受拉钢筋的最小配筋百分率Pmin (％)不应小于0．2和45fxfy中的较大值。
框架梁箍筋配筋构造应符合下列规定：应沿梁全长设置箍筋；纵向受拉钢；截面高度大于800mm的梁，其箍筋直径不宜小于8mm；其余截面高度的梁不应小于6mm。在受力钢筋搭接长度范围内，箍筋直径不应小于搭接钢筋最大直径的0．25倍。
2.1.2框架柱中全部纵向钢筋最小配筋百分率不应小于0．6％ 。且柱截面每一侧纵向钢筋的配筋百分率不应小于0．2％。当混凝土的强度等级大于C60时，全部纵向钢筋的最小配筋百分率应增加O．1％。当采用HRB400，RRB400级钢筋时，全部纵向钢筋的最小百分率可减小O．1％ 。纵向钢筋的净距不应小于50mm，间距不应大于350mm，全部纵向钢筋的配筋率不宜大于5％。
2.1.3节点内箍筋配置应符合柱中箍筋的有关规定，但箍筋间距不宜大于250mm。对四边有梁与之相连的节点。可仅沿节点周边设置矩形箍筋。
2.1.4受力钢筋的连接接头宜设置在构件受力较小部位；抗震设计时，宜避开梁端和柱端箍筋加密区范围。钢筋连接可采用机械连接、绑扎搭接或焊接。非抗震设计时，受拉钢筋绑扎搭接的搭接长度，应根据位于同一连接区段内搭接钢筋截面面积的百分率按下式计算，且不应小于300mm。
2.2设计步骤
2.2.1根据建筑设计进行结构布置。
2.2.2选取恰当的平面框架作为计算单元，并由此得到计算简图，注意计算简图为平面刚架。
2.2.3计算该刚架上所作用的恒载、活载、风荷载和地震作用。
2.2.4用分层法或弯矩分配法对框架在竖向荷载作用下的内力进行计算；框架结构的内力合以及框架梁、柱和框架节点的设计。
2.2.5用反弯点法或D值法对框架在水平荷载作用下的内力进行计算，并进行变形验算。
2.2.6对控制截面的内力值按荷载效应组合方式进行组合。
2.2.7用在混凝土结构基本理论中所学的知识，并结合框架梁柱节点的构造要求对各构件进行截面配筋设计。
2.3内力计算
2.3.1分层法
分层法计算原则是“分层——计算——整和(即叠加)”，
主要技术步骤：
(1)计算梁柱的线刚度及相对线刚度。
(2)将框架计算简图分层(分层后的各柱远端为固定支座)，并对除底层柱外的其他各层柱的线刚度乘0．9折减系数。
(3)用弯矩分配法计算各层单元的杆端弯矩。
(4)叠加各层的杆端弯矩，注意梁的弯矩值保持不变，柱的弯矩值为各层单元的柱端弯矩的代数和，叠加后若结点弯矩不平衡，可再进行一次弯矩分配。
(5)按静力平衡条件计算出框架的剪力和轴力，并绘出内力图。
2.3.2反弯点法和D值法
另外，可由柱的剪力和弯矩来计算梁的弯矩、剪力和轴力以及柱的轴力，这部分应用的是结构力学中的截面法，即计算哪部分的内力，将该部分隔离出来单独分析，分别考虑该部分在水平向和竖向力的平衡及力矩平衡。
(3)柱的轴力计算由节点左右梁端剪力之和得到
2.3.3框架截面设计
主要考虑设计框架柱与基本构件中偏心或轴力受力柱的不同之处，框架梁与基本构件中梁的不同之处，以及梁柱刚接部位的特殊要求，比如，配筋计算时内力的调整，配筋量的限制及其他的一些构造要求等。
3.结语
高层建筑能够节约城市土地，缩短公用设施和市政管网的开发周期，从而减少市政投资，加快城市建设，这些优点已经逐渐得到公认。各国的大城市建设部门，都在不断地对已经出现的各种问题进行全面研究，采取改进措施。在建筑设计方面，对高层建筑带来的日照阴影和电磁波干扰的影响，对体量高大突出的建筑造型风貌和城市空间天际线的艺术效果，以及高层建筑群大量集中的人口对城市供应和交通的影响等多种问题，采取新的科学分析和研究步骤，以求得最佳设计方案。■
【关键词】设计要点;框架结构分析;结构设计
城市的发展加快了高层建筑的迅猛发展，世界各国对高层建筑的高度和层数界限的规定并不一致。中国1982年施行的《高层建筑防火设计规范》中规定，超过10层的住宅建筑和超过24米高的其他民用建筑为高层建筑。美国的高层建筑是指3O～40层以及更高的建筑。日本规定住宅超过2O层。旅馆、办公楼超过30层者为超高层建筑。1972年国际高层建筑会议将高层建筑分为4类：第l类为9～16层(最高5O米)，第2类为l7～25层(最高75米)，第3类为26～40层(最高100米)，第4类为4O层以上(高于100米)。
现代高层建筑是随着城市的发展和科学技术的进步而发展起来的，在土地资源日益紧张的今天，高层建筑有利于节约用地、解决住房紧张、减少市政基础设施和美化城市空间环境。可以说，现代高层建筑的发展，开创了整个建筑时代的新纪元。
１．设计要点
当高层建筑的层數和高度增加到一定程度时，它的功能适用性、技术合理性和经济可行性都将发生质的变化。与多层建筑相比，高层建筑的受力特点一是要考虑柱(墙)轴向变形及截面剪切变形对结构内力和变形的影响，二是水平力(风及地震作用)所产生的结构内力和位移常为结构设计的控制因素。
现就结构方面的要求做探讨： (1)考虑高层建筑遇到巨大风力和地震力时所产生的水平侧向力； (2)严格控制高层建筑体型的高宽比例，以保证其稳定性； (3)使建筑平面、体型、立面的质量和刚度尽量保持对称和匀称，使整体结构不出现薄弱环节； (4)妥善处理因风力、地震、温度变化和基础沉降带来的变形节点构造； (5)考虑在重量大、基础深的地质条件下如何保证安全可靠的设计技术和施工条件问题。
高层建筑结构的基本单元有框架、剪力墙、核心筒和框简，可以组成许多结构承重体系，常用的有框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、简体结构，以及用于超高层的其他结构体系形式。为了使结构物在水平力作用下具有足够的承载能力、刚度和延性，高层建筑的体型应是简单规则的，结构布置也应力求较规则，建筑物的高宽比和基础埋深应满足一定的要求，楼、屋盖在水平面内的刚度也应予保证。现以框架结构设计进行分析。
2.框架结构设计分析
2.1框架结构构造要求
2.1.1沿梁全长顶面和底面应至少各配置两根纵向钢筋，直径不应小于12mm。纵向受拉钢筋的最小配筋百分率Pmin (％)不应小于0．2和45fxfy中的较大值。
框架梁箍筋配筋构造应符合下列规定：应沿梁全长设置箍筋；纵向受拉钢；截面高度大于800mm的梁，其箍筋直径不宜小于8mm；其余截面高度的梁不应小于6mm。在受力钢筋搭接长度范围内，箍筋直径不应小于搭接钢筋最大直径的0．25倍。
2.1.2框架柱中全部纵向钢筋最小配筋百分率不应小于0．6％ 。且柱截面每一侧纵向钢筋的配筋百分率不应小于0．2％。当混凝土的强度等级大于C60时，全部纵向钢筋的最小配筋百分率应增加O．1％。当采用HRB400，RRB400级钢筋时，全部纵向钢筋的最小百分率可减小O．1％ 。纵向钢筋的净距不应小于50mm，间距不应大于350mm，全部纵向钢筋的配筋率不宜大于5％。
2.1.3节点内箍筋配置应符合柱中箍筋的有关规定，但箍筋间距不宜大于250mm。对四边有梁与之相连的节点。可仅沿节点周边设置矩形箍筋。
2.1.4受力钢筋的连接接头宜设置在构件受力较小部位；抗震设计时，宜避开梁端和柱端箍筋加密区范围。钢筋连接可采用机械连接、绑扎搭接或焊接。非抗震设计时，受拉钢筋绑扎搭接的搭接长度，应根据位于同一连接区段内搭接钢筋截面面积的百分率按下式计算，且不应小于300mm。
2.2设计步骤
2.2.1根据建筑设计进行结构布置。
2.2.2选取恰当的平面框架作为计算单元，并由此得到计算简图，注意计算简图为平面刚架。
2.2.3计算该刚架上所作用的恒载、活载、风荷载和地震作用。
2.2.4用分层法或弯矩分配法对框架在竖向荷载作用下的内力进行计算；框架结构的内力合以及框架梁、柱和框架节点的设计。
2.2.5用反弯点法或D值法对框架在水平荷载作用下的内力进行计算，并进行变形验算。
2.2.6对控制截面的内力值按荷载效应组合方式进行组合。
2.2.7用在混凝土结构基本理论中所学的知识，并结合框架梁柱节点的构造要求对各构件进行截面配筋设计。
2.3内力计算
2.3.1分层法
分层法计算原则是“分层——计算——整和(即叠加)”，
主要技术步骤：
(1)计算梁柱的线刚度及相对线刚度。
(2)将框架计算简图分层(分层后的各柱远端为固定支座)，并对除底层柱外的其他各层柱的线刚度乘0．9折减系数。
(3)用弯矩分配法计算各层单元的杆端弯矩。
(4)叠加各层的杆端弯矩，注意梁的弯矩值保持不变，柱的弯矩值为各层单元的柱端弯矩的代数和，叠加后若结点弯矩不平衡，可再进行一次弯矩分配。
(5)按静力平衡条件计算出框架的剪力和轴力，并绘出内力图。
2.3.2反弯点法和D值法
另外，可由柱的剪力和弯矩来计算梁的弯矩、剪力和轴力以及柱的轴力，这部分应用的是结构力学中的截面法，即计算哪部分的内力，将该部分隔离出来单独分析，分别考虑该部分在水平向和竖向力的平衡及力矩平衡。
(3)柱的轴力计算由节点左右梁端剪力之和得到
2.3.3框架截面设计
主要考虑设计框架柱与基本构件中偏心或轴力受力柱的不同之处，框架梁与基本构件中梁的不同之处，以及梁柱刚接部位的特殊要求，比如，配筋计算时内力的调整，配筋量的限制及其他的一些构造要求等。
3.结语
高层建筑能够节约城市土地，缩短公用设施和市政管网的开发周期，从而减少市政投资，加快城市建设，这些优点已经逐渐得到公认。各国的大城市建设部门，都在不断地对已经出现的各种问题进行全面研究，采取改进措施。在建筑设计方面，对高层建筑带来的日照阴影和电磁波干扰的影响，对体量高大突出的建筑造型风貌和城市空间天际线的艺术效果，以及高层建筑群大量集中的人口对城市供应和交通的影响等多种问题，采取新的科学分析和研究步骤，以求得最佳设计方案。■