高層建筑結構設計探析

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摘要高層建筑是建筑行業(yè)一個發(fā)展方向,它的意義也非同一般。從高層建筑的結構設計特點、布置原則、基礎等方面介紹高層建筑從設計到建造的一般過程。最后簡要闡述高層建筑的發(fā)展趨勢。 

　　關鍵詞 高層建筑;結構設計;發(fā)展趨勢  　　中圖分類號 TU 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2010)082-0038-01  　　  　　隨著科學的發(fā)展和時代的進步,高層建筑如雨后春筍般的出現(xiàn)。從紐約帝國大廈到世貿大樓,從上海金茂大廈到上海環(huán)球金融中心,無一不透出高層建筑的勃勃生命力。高層建筑的高度在一定程度上反映了一個國家的綜合國力和科技水平,世界著名的建筑更是建筑史上的紀念碑。但是如果高層建筑因結構設計不清,而造成結構布置不合理,不僅會造成大量的浪費,更重要的是給高層建筑留下了結構質量的安全隱患。因此高層建筑的結構設計就顯得尤為重要了。  　　1 高層建筑結構的布置原則與要求  　　1.1 結構平面布置  　　平面形狀簡單、規(guī)則、對稱盡量使質心和鋼心重合。偏心大的結構扭轉效應大,會加大端部構件的位移,導致應力集中。平面突出部分不宜過長。扭轉是否過大,可用概念設計方法近似計算鋼心、質心及偏心距后進行判斷,還可以比較結構最遠邊緣處的最大層間變形和質心處的層間變形,其比值超過1.1者,可以認為扭轉太大而結構不規(guī)則。  　　高層建筑不應采用嚴重不規(guī)則的結構布置,當由于使用功能與建筑的要求,結構平面布置嚴重不規(guī)則時,應將其分割成若干比較簡單、規(guī)則的獨立結構單元。對于地震區(qū)的抗震建筑,簡單、規(guī)則、對稱的原則尤為重要。  　　1.2 結構立體布置  　　結構豎向布置最基本的原則是規(guī)則、均勻。  　　規(guī)則,主要是指體型規(guī)則,若有變化,亦應是有規(guī)則的漸變。體型沿豎向的劇變,將使地震時某些變形特別集中,常常在該樓層因過大的變形而引起倒塌。  　　均勻是指上下體型、剛度、承載力及質量分布均勻,以及它們的變化均勻。結構宜設計成剛度下大上小,自下而上逐漸減小。下層剛度小,將使變形集中在下部,形成薄弱層,嚴重的會引起建筑的全面倒塌。如果體型尺寸有變化,也應下大上小逐漸變化,不應發(fā)生過大的突變。上不樓層收進使得體型較小的情況經(jīng)常發(fā)生,但是對于收進的尺寸應當限制。收進的部位越高,收進后的平面尺寸越小,高振型的影響明顯加大。如果上部樓層外挑,造成“頭重腳輕”的狀況,將使扭轉反映明顯加大,豎向地震影響也明顯變大。  　　2 結構設計特點  　　2.1 水平載荷是設計的主要因素  　　高層結構總是要同時承受豎向載荷和水平載荷作用。載荷對結構產生的內力是隨著建筑物的高度增加而變化的,隨著建筑物高度的增加,水平載荷產生的內力和位移迅速增大。  　　2.2 側向位移是結構設計控制因素  　　隨著樓房高度的增加,水平載荷作用下結構的側向變形迅速增大,結構頂點側移與建筑高度的四次方成正比,設計高層建筑結構時要求結構不僅要具有足夠的強度,還要具有足夠的抗推強度,使結構在水平載荷下產生的側移被控制在范圍之內。  　　2.3 結構延性是重要的設計指標  　　高層建筑還必須有良好的抗震性能,做到“小震不壞,大震能修。”為此,要求結構具有較好的延性,也就是說,結構在強烈地震作用下,當結構構件進入屈服階段后具有較強的變形能力,能吸收地震作用下產生能量,結構能維持一定的承載力。  　　2.4 軸向變形不容忽視  　　高層結構豎向構件的變位是由彎曲變形、軸向變形及剪切變形三項因素的影響疊加求得的。在計算多層建筑結構內力和位移時,只考慮彎曲變形,因為軸力項影響很小,剪力項一般可不考慮。但對于高層建筑結構,由于層數(shù)多,高度大,軸力值很大,再加上沿高度積累的軸向變形顯著,軸向變形會使高層建筑結構的內力數(shù)值與分布產生明顯的變化。  　　3 高層建筑的基礎  　　高層建筑的上層結構載荷很大,基礎底面壓力也很大,應采用整體性好、能滿足地基的承載力和建筑物容許變形要求并能調節(jié)不均勻沉降的基礎形式。根據(jù)上部結構類型、層數(shù)、載荷及地基承載力,可以用單獨柱基、交叉梁基礎、筏型基礎或箱型基礎;當?shù)鼗休d力或變形不能滿足設計要求時,可以采用樁基或復合地基。  　　3.1 筏型基礎  　　筏型基礎也稱為板式基礎,多用在上部結構荷載較大、地基承載力較低的情況。一般有兩種做法:倒肋形樓蓋式和倒無梁樓蓋式。倒肋形樓蓋的筏基,板的折算厚度較小,用料較省,剛度較好,但施工比較麻煩,模板較費。如果采用板底架梁的方案有利于地下室空間的利用,但地基開鑿施工麻煩,而且破壞了地基的連續(xù)性,擾動了地基土,會降低地基承載力;采用倒無梁樓蓋式的筏基,板厚較大,用料較多,剛度也較差,但施工較為方便,且有利于地下空間的利用。采用此種形式的筏板,應在柱下板底或板面加墩,板底加墩有利于地下空間的利用,板面加墩則施工較為方便。因此選擇施工方案的時候應考慮綜合因素。  　　3.2 箱型基礎  　　當?shù)鼗鶚O軟切沉降不均勻十分嚴重時,采用筏形基礎,其剛度會顯得不足,在上部結構對基礎不均勻沉降敏感時尤其如此,在這種情況下采用箱型基礎就較為合理。  　　箱型基礎是由底板、頂板、外圍擋土墻以及一定的內隔墻組成的單層或多層混凝土結構。箱型基礎剛度大、整體性好、傳力均勻;能適應局部不均勻沉降較大的地基,有效地調整基地反力。由于地基面積較大,且埋置深度也較大,挖去了大量土方,卸除了原有的地基自重應力,地基承載力有所提高,建筑物沉降減小。由于埋深較大,箱型基礎外壁與土的摩擦力增大,增大了基礎周圍土體對結構的阻尼,有利于抗震。但是箱形基礎的內隔墻較多,支模等施工時間較費,工期較長;在使用上也受到隔墻太多的限制。  　　3.3 樁箱和樁筏基礎  　　在淺層地基承載力比較軟弱,而堅實土層距離地面又較深的時候,采用其他類型的基礎就不能滿足承載力或變形控制的要求。這是應當考慮采用樁基礎。  　　樁基礎由兩部分組成:一是樁基承臺,二是樁基本身。樁承臺的作用是將上部荷載傳給樁,并使樁群連成整體,而樁又將荷載傳至較深的土層中區(qū)。樁基承臺一般可利用筏形基礎的底板或箱形基礎的底板。這時稱這種形式的基礎為樁筏基礎或樁箱基礎。  　　樁的類型應根據(jù)工程地質資料、結構類型、荷載性質、施工條件以及經(jīng)濟指標等因素確定。樁按受力性能來區(qū)分,有摩擦樁和支承樁兩種。按施工方法區(qū)分,有預制樁和灌注樁兩種。在樁基平臺面積確定的情況下,不同樁徑、不同的樁基持力層會有不同的單樁承載力,樁的平面隨之也可以確定。當箱形或筏形基礎下樁的數(shù)量較少時,樁基布置在墻下、梁板式筏形基礎的梁下或平板式筏形基礎的柱下。樁距應盡可能的大,在充分發(fā)揮單樁承載力的同時,還能發(fā)揮承臺土反力作用,以取得最佳效果。  　　4 高層建筑結構發(fā)展趨勢  　　隨著城市人口的不斷增加建設可用地的減少,高層建筑繼續(xù)向著更  　　高發(fā)展,結構所需承擔的荷載和傾覆力矩將越來越大。在確保高層建筑物具有足夠可靠度的前提下,為了進一步節(jié)約材料和降低造價,高層建筑結構夠構件正在不斷更新,設計理念也在不斷發(fā)展。高層建筑結構也正朝著結構立體化,布置周邊化,體型多樣化,結構支撐化,體型多樣化,材料高強化,建筑輕量化,組合結構化,結構耗能減震化等方向發(fā)展。  　　5 總結  　　高層建筑物有效地減輕了住房壓力,但必然也帶來了安全隱患,其結構設計顯得尤為重要。隨著設計理念的不斷發(fā)展,高層建筑物必將朝著更加合理的方向發(fā)展。  　　  　　參考文獻  　　[1]徐銀夫.關于高層建筑結構設計的研究[J].科技經(jīng)濟市場,2006,(02).  　　[2]袁鴻.高層建筑結構設計探究[J].大眾科技,2004,(08).  　　[3]李永明.高層建筑結構設計的設計思路探討[J].武漢工業(yè)大學學報,1997,(01).  　　[4]李粵獻.高層建筑結構及其設計理論[M].北京:科學出版社,2006.  　　[5]關瑞明,王全鳳.高層建筑設計中的結構概念設計[J].新建筑,1994,(04).