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摘要:高层建筑是建筑行业一个发展方向,它的意义也非同一般。从高层建筑的结构设计特点、布置原则、基础等方面介绍高层建筑从设计到建造的一般过程。最后简要阐述高层建筑的发展趋势。
关键词: 高层建筑结构设计 发展趋势
Abstract：The high-rise building is the construction industry is a development direction, its meaning is unique. From the structure of the high-rise building design characteristics, principles of the layout, foundation of the introduction of the high-rise building from design to construction of the general process. Finally, the article briefly expounds the development trend of the high-rise building.
Keywords: high building structural design development trend
中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：
前言
随着科学的发展和时代的进步,高层建筑如雨后春笋般的出现。从纽约帝国大厦到世贸大楼,从上海金茂大厦到上海环球金融中心,无一不透出高层建筑的勃勃生命力。高层建筑的高度在一定程度上反映了一个国家的综合国力和科技水平,世界著名的建筑更是建筑史上的纪念碑。但是如果高层建筑因结构设计不清,而造成结构布置不合理,不仅会造成大量的浪费,更重要的是给高层建筑留下了结构质量的安全隐患。因此高层建筑的结构设计就显得尤为重要了。
1 高层建筑结构发展趋势
随着城市人口的不断增加建设可用地的减少,高层建筑继续向着更高发展,结构所需承担的荷载和倾覆力矩将越来越大。在确保高层建筑物具有足够可靠度的前提下,为了进一步节约材料和降低造价,高层建筑结构够构件正在不断更新,设计理念也在不断发展。高层建筑结构也正朝着结构立体化,布置周边化,体型多样化,结构支撑化,体型多样化,材料高强化,建筑轻量化,组合结构化,结构耗能减震化等方向发展。
2高层建筑的基础
高层建筑的上层结构载荷很大,基础底面压力也很大,应采用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式。根据上部结构类型、层数、载荷及地基承载力,可以用单独柱基、交叉梁基础、筏型基础或箱型基础;当地基承载力或变形不能满足设计要求时,可以采用桩基或复合地基。
2.1 筏型基础
筏型基础也称为板式基础,多用在上部结构荷载较大、地基承载力较低的情况。一般有两种做法:倒肋形楼盖式和倒无梁楼盖式。倒肋形楼盖的筏基,板的折算厚度较小,用料较省,刚度较好,但施工比较麻烦,模板较费。如果采用板底架梁的方案有利于地下室空间的利用,但地基开凿施工麻烦,而且破坏了地基的连续性,扰动了地基土,会降低地基承载力;采用倒无梁楼盖式的筏基,板厚较大,用料较多,刚度也较差,但施工较为方便,且有利于地下空间的利用。采用此种形式的筏板,应在柱下板底或板面加墩,板底加墩有利于地下空间的利用,板面加墩则施工较为方便。因此选择施工方案的时候应考虑综合因素。
2.2 箱型基础
当地基极软切沉降不均匀十分严重时,采用筏形基础,其刚度会显得不足,在上部结构对基础不均匀沉降敏感时尤其如此,在这种情况下采用箱型基础就较为合理。
箱型基础是由底板、顶板、外围挡土墙以及一定的内隔墙组成的单层或多层混凝土结构。箱型基础刚度大、整体性好、传力均匀;能适应局部不均匀沉降较大的地基,有效地调整基地反力。由于地基面积较大,且埋置深度也较大,挖去了大量土方,卸除了原有的地基自重应力,地基承载力有所提高,建筑物沉降减小。由于埋深较大,箱型基础外壁与土的摩擦力增大,增大了基础周围土体对结构的阻尼,有利于抗震。但是箱形基础的内隔墙较多,支模等施工时间较费,工期较长;在使用上也受到隔墙太多的限制。
2.3 桩箱和桩筏基础
在浅层地基承载力比较软弱,而坚实土层距离地面又较深的时候,采用其他类型的基础就不能满足承载力或变形控制的要求。这是应当考虑采用桩基础。
桩基础由两部分组成:一是桩基承台,二是桩基本身。桩承台的作用是将上部荷载传给桩,并使桩群连成整体,而桩又将荷载传至较深的土层中区。桩基承台一般可利用筏形基础的底板或箱形基础的底板。这时称这种形式的基础为桩筏基础或桩箱基础。
桩的类型应根据工程地质资料、结构类型、荷载性质、施工条件以及经济指标等因素确定。桩按受力性能来区分,有摩擦桩和支承桩两种。按施工方法区分,有预制桩和灌注桩两种。在桩基平台面积确定的情况下,不同桩径、不同的桩基持力层会有不同的单桩承载力,桩的平面随之也可以确定。当箱形或筏形基础下桩的数量较少时,桩基布置在墙下、梁板式筏形基础的梁下或平板式筏形基础的柱下。桩距应尽可能的大,在充分发挥单桩承载力的同时,还能发挥承台土反力作用,以取得最佳效果。
3 高层建筑结构的布置原则与体系
3.1 结构平面布置
平面形状简单、规则、对称尽量使质心和钢心重合。偏心大的结构扭转效应大,会加大端部构件的位移,导致应力集中。平面突出部分不宜过长。扭转是否过大,可用概念设计方法近似计算钢心、质心及偏心距后进行判断,还可以比较结构最远边缘处的最大层间变形和质心处的层间变形,其比值超过1.1者,可以认为扭转太大而结构不规则。
高层建筑不应采用严重不规则的结构布置,当由于使用功能与建筑的要求,结构平面布置严重不规则时,应将其分割成若干比较简单、规则的独立结构单元。对于地震区的抗震建筑,简单、规则、对称的原则尤为重要。
3.2剪力墙结构体系
剪力墙是高层住宅最常用的结构体系, 采用剪力墙结构可以减少非承重隔墙数量, 一般用钢量比框剪结构少, 而且室内无外露梁柱, 用户比较喜欢。剪力墙结构体系是以一系列剪力墙纵横相交, 既作为承重結构又作为分间隔断墙。由于墙体纵横交错, 比框架结构中的刚度大得多。这是抵抗高层建筑风荷载及地震力水平荷载的有利条件, 这种体系的缺点是由于剪力墙组成许多小开间, 虽然结构的整体性较强, 但平面布局受到了严格的约束。
3.3框架轻体墙结构和框架剪力墙混合结构体系
这种体系能使高层住宅大幅度降低自重, 又能使内部空间分隔有更大的灵活性, 因而在国内被广泛使用。但由于框架体系刚度不大, 建筑越高, 这一弱点就越明显, 抗高空风荷载和抗地震的能力也较低。因而往往在框架结构体系中的适当部位增加剪力墙, 以辅助框架结构之不足, 此外, 框架柱常常要在室内外露, 影响了用户的使用效果, 而采用异形框架柱, 结构计算又比较复杂。
3.4筒形结构体系
超过30层以上的高层建筑受到较大的侧力, 为一般结构体系所不能承受, 而筒形结构的刚度较大, 中央设有井筒, 外围设置的柱子形成筒状柱网, 核心井筒与周围框架共同工作, 形成抗侧力极强的结构体系。核心井筒作为电梯间、楼梯间、设备管道间使用。井筒与四周钢筋混凝土柱网之间有横梁或板联系。全部的内隔墙为轻质墙, 外墙为保温的围护墙。内外筒之间可以自由分隔, 十分灵活。
3.5其他结构体系
高层建筑的新结构体系大部分是探索性的, 如筒中筒结构的发展, 或者束状筒的组合, 外筒桁架交错, 以中心井筒悬挂式结构以及很高的桁架梁的体系等。
4 结构设计特点
4.1 水平载荷是设计的主要因素
高层结构总是要同时承受竖向载荷和水平载荷作用。载荷对结构产生的内力是随着建筑物的高度增加而变化的,随着建筑物高度的增加,水平载荷产生的内力和位移迅速增大。
4.2 侧向位移是结构设计控制因素
随着楼房高度的增加,水平载荷作用下结构的侧向变形迅速增大,结构顶点侧移与建筑高度的四次方成正比,设计高层建筑结构时要求结构不仅要具有足够的强度,还要具有足够的抗推强度,使结构在水平载荷下产生的侧移被控制在范围之内。
4.3 结构延性是重要的设计指标
高层建筑还必须有良好的抗震性能,做到“小震不坏,大震能修。”为此,要求结构具有较好的延性,也就是说,结构在强烈地震作用下,当结构构件进入屈服阶段后具有较强的变形能力,能吸收地震作用下产生能量,结构能维持一定的承载力。
4.4 轴向变形不容忽视
高层结构竖向构件的变位是由弯曲变形、轴向变形及剪切变形三项因素的影响叠加求得的。在计算多层建筑结构内力和位移时,只考虑弯曲变形,因为轴力项影响很小,剪力项一般可不考虑。但对于高层建筑结构,由于层数多,高度大,轴力值很大,再加上沿高度积累的轴向变形显著,轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生明显的变化。
5 总结
高层建筑物有效地减轻了住房压力,但必然也带来了安全隐患,其结构设计显得尤为重要。随着设计理念的不断发展,高层建筑物必将朝着更加合理的方向发展。
参考文献
[1]徐银夫.关于高层建筑结构设计的研究[J].科技经济市场,2006,(02).
[2]袁鸿.高层建筑结构设计探究[J].大众科技,2004,(08).
[3]李永明.高层建筑结构设计的设计思路探讨[J].武汉工业大学学报,1997,(01).
[4]李粤献.高层建筑结构及其设计理论[M].北京:科学出版社,2006.
[5]关瑞明,王全凤.高层建筑设计中的结构概念设计[J].新建筑,1994,(04).
关键词: 高层建筑结构设计 发展趋势
Abstract：The high-rise building is the construction industry is a development direction, its meaning is unique. From the structure of the high-rise building design characteristics, principles of the layout, foundation of the introduction of the high-rise building from design to construction of the general process. Finally, the article briefly expounds the development trend of the high-rise building.
Keywords: high building structural design development trend
中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：
前言
随着科学的发展和时代的进步,高层建筑如雨后春笋般的出现。从纽约帝国大厦到世贸大楼,从上海金茂大厦到上海环球金融中心,无一不透出高层建筑的勃勃生命力。高层建筑的高度在一定程度上反映了一个国家的综合国力和科技水平,世界著名的建筑更是建筑史上的纪念碑。但是如果高层建筑因结构设计不清,而造成结构布置不合理,不仅会造成大量的浪费,更重要的是给高层建筑留下了结构质量的安全隐患。因此高层建筑的结构设计就显得尤为重要了。
1 高层建筑结构发展趋势
随着城市人口的不断增加建设可用地的减少,高层建筑继续向着更高发展,结构所需承担的荷载和倾覆力矩将越来越大。在确保高层建筑物具有足够可靠度的前提下,为了进一步节约材料和降低造价,高层建筑结构够构件正在不断更新,设计理念也在不断发展。高层建筑结构也正朝着结构立体化,布置周边化,体型多样化,结构支撑化,体型多样化,材料高强化,建筑轻量化,组合结构化,结构耗能减震化等方向发展。
2高层建筑的基础
高层建筑的上层结构载荷很大,基础底面压力也很大,应采用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式。根据上部结构类型、层数、载荷及地基承载力,可以用单独柱基、交叉梁基础、筏型基础或箱型基础;当地基承载力或变形不能满足设计要求时,可以采用桩基或复合地基。
2.1 筏型基础
筏型基础也称为板式基础,多用在上部结构荷载较大、地基承载力较低的情况。一般有两种做法:倒肋形楼盖式和倒无梁楼盖式。倒肋形楼盖的筏基,板的折算厚度较小,用料较省,刚度较好,但施工比较麻烦,模板较费。如果采用板底架梁的方案有利于地下室空间的利用,但地基开凿施工麻烦,而且破坏了地基的连续性,扰动了地基土,会降低地基承载力;采用倒无梁楼盖式的筏基,板厚较大,用料较多,刚度也较差,但施工较为方便,且有利于地下空间的利用。采用此种形式的筏板,应在柱下板底或板面加墩,板底加墩有利于地下空间的利用,板面加墩则施工较为方便。因此选择施工方案的时候应考虑综合因素。
2.2 箱型基础
当地基极软切沉降不均匀十分严重时,采用筏形基础,其刚度会显得不足,在上部结构对基础不均匀沉降敏感时尤其如此,在这种情况下采用箱型基础就较为合理。
箱型基础是由底板、顶板、外围挡土墙以及一定的内隔墙组成的单层或多层混凝土结构。箱型基础刚度大、整体性好、传力均匀;能适应局部不均匀沉降较大的地基,有效地调整基地反力。由于地基面积较大,且埋置深度也较大,挖去了大量土方,卸除了原有的地基自重应力,地基承载力有所提高,建筑物沉降减小。由于埋深较大,箱型基础外壁与土的摩擦力增大,增大了基础周围土体对结构的阻尼,有利于抗震。但是箱形基础的内隔墙较多,支模等施工时间较费,工期较长;在使用上也受到隔墙太多的限制。
2.3 桩箱和桩筏基础
在浅层地基承载力比较软弱,而坚实土层距离地面又较深的时候,采用其他类型的基础就不能满足承载力或变形控制的要求。这是应当考虑采用桩基础。
桩基础由两部分组成:一是桩基承台,二是桩基本身。桩承台的作用是将上部荷载传给桩,并使桩群连成整体,而桩又将荷载传至较深的土层中区。桩基承台一般可利用筏形基础的底板或箱形基础的底板。这时称这种形式的基础为桩筏基础或桩箱基础。
桩的类型应根据工程地质资料、结构类型、荷载性质、施工条件以及经济指标等因素确定。桩按受力性能来区分,有摩擦桩和支承桩两种。按施工方法区分,有预制桩和灌注桩两种。在桩基平台面积确定的情况下,不同桩径、不同的桩基持力层会有不同的单桩承载力,桩的平面随之也可以确定。当箱形或筏形基础下桩的数量较少时,桩基布置在墙下、梁板式筏形基础的梁下或平板式筏形基础的柱下。桩距应尽可能的大,在充分发挥单桩承载力的同时,还能发挥承台土反力作用,以取得最佳效果。
3 高层建筑结构的布置原则与体系
3.1 结构平面布置
平面形状简单、规则、对称尽量使质心和钢心重合。偏心大的结构扭转效应大,会加大端部构件的位移,导致应力集中。平面突出部分不宜过长。扭转是否过大,可用概念设计方法近似计算钢心、质心及偏心距后进行判断,还可以比较结构最远边缘处的最大层间变形和质心处的层间变形,其比值超过1.1者,可以认为扭转太大而结构不规则。
高层建筑不应采用严重不规则的结构布置,当由于使用功能与建筑的要求,结构平面布置严重不规则时,应将其分割成若干比较简单、规则的独立结构单元。对于地震区的抗震建筑,简单、规则、对称的原则尤为重要。
3.2剪力墙结构体系
剪力墙是高层住宅最常用的结构体系, 采用剪力墙结构可以减少非承重隔墙数量, 一般用钢量比框剪结构少, 而且室内无外露梁柱, 用户比较喜欢。剪力墙结构体系是以一系列剪力墙纵横相交, 既作为承重結构又作为分间隔断墙。由于墙体纵横交错, 比框架结构中的刚度大得多。这是抵抗高层建筑风荷载及地震力水平荷载的有利条件, 这种体系的缺点是由于剪力墙组成许多小开间, 虽然结构的整体性较强, 但平面布局受到了严格的约束。
3.3框架轻体墙结构和框架剪力墙混合结构体系
这种体系能使高层住宅大幅度降低自重, 又能使内部空间分隔有更大的灵活性, 因而在国内被广泛使用。但由于框架体系刚度不大, 建筑越高, 这一弱点就越明显, 抗高空风荷载和抗地震的能力也较低。因而往往在框架结构体系中的适当部位增加剪力墙, 以辅助框架结构之不足, 此外, 框架柱常常要在室内外露, 影响了用户的使用效果, 而采用异形框架柱, 结构计算又比较复杂。
3.4筒形结构体系
超过30层以上的高层建筑受到较大的侧力, 为一般结构体系所不能承受, 而筒形结构的刚度较大, 中央设有井筒, 外围设置的柱子形成筒状柱网, 核心井筒与周围框架共同工作, 形成抗侧力极强的结构体系。核心井筒作为电梯间、楼梯间、设备管道间使用。井筒与四周钢筋混凝土柱网之间有横梁或板联系。全部的内隔墙为轻质墙, 外墙为保温的围护墙。内外筒之间可以自由分隔, 十分灵活。
3.5其他结构体系
高层建筑的新结构体系大部分是探索性的, 如筒中筒结构的发展, 或者束状筒的组合, 外筒桁架交错, 以中心井筒悬挂式结构以及很高的桁架梁的体系等。
4 结构设计特点
4.1 水平载荷是设计的主要因素
高层结构总是要同时承受竖向载荷和水平载荷作用。载荷对结构产生的内力是随着建筑物的高度增加而变化的,随着建筑物高度的增加,水平载荷产生的内力和位移迅速增大。
4.2 侧向位移是结构设计控制因素
随着楼房高度的增加,水平载荷作用下结构的侧向变形迅速增大,结构顶点侧移与建筑高度的四次方成正比,设计高层建筑结构时要求结构不仅要具有足够的强度,还要具有足够的抗推强度,使结构在水平载荷下产生的侧移被控制在范围之内。
4.3 结构延性是重要的设计指标
高层建筑还必须有良好的抗震性能,做到“小震不坏,大震能修。”为此,要求结构具有较好的延性,也就是说,结构在强烈地震作用下,当结构构件进入屈服阶段后具有较强的变形能力,能吸收地震作用下产生能量,结构能维持一定的承载力。
4.4 轴向变形不容忽视
高层结构竖向构件的变位是由弯曲变形、轴向变形及剪切变形三项因素的影响叠加求得的。在计算多层建筑结构内力和位移时,只考虑弯曲变形,因为轴力项影响很小,剪力项一般可不考虑。但对于高层建筑结构,由于层数多,高度大,轴力值很大,再加上沿高度积累的轴向变形显著,轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生明显的变化。
5 总结
高层建筑物有效地减轻了住房压力,但必然也带来了安全隐患,其结构设计显得尤为重要。随着设计理念的不断发展,高层建筑物必将朝着更加合理的方向发展。
参考文献
[1]徐银夫.关于高层建筑结构设计的研究[J].科技经济市场,2006,(02).
[2]袁鸿.高层建筑结构设计探究[J].大众科技,2004,(08).
[3]李永明.高层建筑结构设计的设计思路探讨[J].武汉工业大学学报,1997,(01).
[4]李粤献.高层建筑结构及其设计理论[M].北京:科学出版社,2006.
[5]关瑞明,王全凤.高层建筑设计中的结构概念设计[J].新建筑,1994,(04).