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1、关于高层建筑结构设计的探讨 - 结构理论 关于高层建筑结构设计的探讨摘要：本文对几点影响高层建筑结构设计的几点因素进行了 探讨。可供同行参考。关键词：高层建筑；结构设计；影响因素；探讨随着层数和建筑高度增加，利用结构空间作用，又发展了框 架简体结构、简中简结构、多简结构和巨型结构等多种结构 体系。高层建筑结构的承载能力、侧移刚度、抗震性能、材料用量 和造价高低，与其采用结构体系有着密切关系。不同结构体系，适 用于不同层数、高度和功能的建筑。在高层结构设计中，水平力是 控制的主要因素，在地震区水平力是高层建筑结构设计的决定因素。 剪力墙结构刚度大、周期短、地震作用大，在设计中应注意调整结 构刚度
2、。近年来出现了一系列新的结构体系，其中有巨型框架结构、 巨型桁架结构、悬挂和悬挑结构。目前采用这些结构体系的工程尚 较少，经验不多，对于这些结构的研究也不够深入、成熟，尚不能 普遍推广于设计与施工中。1 水平作用是设计的主要因素任何建筑结构都要抵抗竖向荷载和水平荷载，在低层和多层 结构设计中，往往是以重力为代表的竖向荷载起控制作用，对于高层结构的设计，尽管 竖向荷载仍对结构设计产生重要作用，但起控制作用的是水平荷载。之所以如此，其根本原因在于侧移和内力随高度的增加而迅速增长，例如一根悬臂杆件，在竖向荷载作用下，产生 的轴力仅与高度成线性比例，但在水平荷载作用下，其弯矩与高增 加。因此，在高层建
3、筑结构设计中，抗侧力的设计是关键，水平荷 载是决定因素。对于一定高度的建筑物，作为其水平荷载的风荷载 和地震作用将随结构动力特性的不同而有显著的变化。2 侧移成为控制指标与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计 的关键因素。随着建筑高度增加，水平荷载作用下结构侧向变形迅速增大，结构侧移与 高度呈现四次方关系上升。在高层建筑结构设计中，不仅要求结构 具有足够的强度，还要求具有足够的抗倒移刚度，以保证结构在水 平荷载作用下所产生的侧移限制在一定范围内。侧移是高层建筑的 要害问题，之所以要控制结构侧移，其主要原因有：2.1 侧移过大，使建筑物内的人在心理上产生不适应，控制结 构侧移是保证
4、建筑物正常使用的需要。2.2 侧移过大，使建筑物内的填充墙、建筑装饰和电梯轨道等 服务设施产生裂缝、变形，甚至损坏。2.3 侧移过大，将导致结构开裂或损坏，进而危及结构正常使 用和耐久性，实际上控制结构构件裂缝就是限制结构侧移。2.4 地震对建筑物的破坏程度，主要取决于结构侧移大小，如果结构变形能力不足以抵御地震输入能量对结构变形的要求，结构则会发生倒塌。3 抗露设计要求更高在高层建筑结构的抗震设防设计时，要 考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载，还必须使建筑结构具有良好 的抗震性能，做到小震不坏、中震可修、大震不倒。计算结构的延性是困难的，结构或构件的延性是通过一系列 的构造措施实现的。在高层建
5、筑设计中，为使结构具有良好的延性， 构件要有足够大的截面尺寸，柱的轴压比、梁和剪力墙的剪压比、构件的配筋率都要适宜，应遵照规范、规程的要 求。4 轴向变形不容忽视任何建筑结构在外力作用下产生的位移都包括弯曲、轴向变 形和剪切变形三部分。在低层建筑结构设计中，通常只考虑弯曲变 形，而忽略铀向变形和剪切变形的影响，因为一般结构构件的轴力 和剪力产生影响较小，可不考虑。而高层建筑由于层数多、轴力大， 再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会对高层结构的内力 产生很大影响。此外，高层结构中的剪力墙的截面也往往很大。因 此，剪切变形的影响不可忽略。采用框架体系和框架剪力墙体系的高层建筑中，框架 中柱的
6、轴向压力往往大于边柱的铀向压力，中柱的轴向压缩变形大 于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达 到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩 值增大。故在高层建筑设计中，轴向变形不能不考虑。在高层建筑结构的力学计算中，根据所选计算手段，所计算 的构件变形因素是有区别的。对于简化助手计算方法，一般只计算最基本的变形。采用计 算机方法计算时，计算的变形因素要多一些。当用空间协同工作方法时，考虑了梁的弯曲、剪切变形，考 虑了柱、剪力墙的弯曲、剪切和轴向变形；当用完全的三维空间分 析方法时，除考虑了前面全部变形外
7、，还增加了梁、柱、剪力墙的 扭转变形，以及剪力墙墙体截面的翘曲变形。5 概念设计与理论计算同等重要概念设计是指一些难以做出精确力学分析或在规范中难以具 体规定的问题，必须由工程师运用“概念” 进行分析，做出判断，以便采取相应措施。概 念设计带有一定经验性。高层建筑结构的抗震设计计算是在一定假 定条件下进行的。尽管分析的手段不断提高，分析的原理不断完善， 但是由于地震作用的复杂性和不确定性，地基土影响的复杂性和结 构体系本身的复杂性，可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍 之多。尤其是当结构进入弹塑性阶段之后，会出现构件的局部开裂， 甚至破坏，这时结构就很难用常规的计算原理去进行内力分析。实 践
8、表明，在设计中把握好高层建筑的概念设计，从整体上提高建筑 的抗震能力，消除结构中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和结构措施，才能设计出具有良好抗震性能的高层建筑。将注重概念设 计作为高层建筑结构的最高原则提出，其主要内容为：5.1 应特别重视建筑结构的规则性(包括平面规则性和竖向规 则性)。5.2 合理选择建筑结构体系包括：a.明确的计算简图和合理的 地震作用传递途径；b.避免因部分结构构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力、风载 和地震作用的能力；c.结构体系应具备必要的承载能力和良好的变 形能力，从而形成良好的耗能能力。5.3 采取必要的抗震措施提高结构构件的延性。6 减轻高层建筑自重比多层
9、建筑更重要减轻高层建筑的自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或 桩基承载力考虑，如果在同样的地基或桩基情况下，减轻房屋自重意味着在不增加基础 的造价和处理措施的前提下，可以多建层数，这在软弱土层上可能具有突出的经济效益。地 震效应与建筑的自重成正比，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的 有效办法。高层建筑的质量大了，不仅作用于结构上的地层剪力大， 还由于重心高、地震作用倾覆力矩大，对竖向构件产生很大的附加 轴力，也造成很大的附加弯矩。7 结构整体稳定和倾覆问题7.1 整体稳定。建筑物在竖向荷载作用下，由于构件的压屈，可能造成整体失稳。我国国内高层建筑层数大多在 40 层以下，刚度 很大，整体稳定一
10、般不存在问题。当高宽比 H/B5 时，应验算其整 体稳定性。7.2 倾覆问题。高层建筑由于总高度值很大，基底面积小，在 水平荷裁和水平地震作用下，产生很大的倾覆力矩，如果倾覆力矩超过稳定力矩，则 建筑物将会发生倾覆，此方面地层灾害实例也已证实。在抗倾覆验 算中，倾覆力矩按风荷载或地震作用计算其设计值。计算稳定力矩 时，楼面活载取 50，恒载取 90，要求抗倾覆的稳定力矩不小于 倾覆力矩设计值。对于高度超过 150m 的高层建筑应进行整体稳定 性及抗倾覆验算。总之，高层建筑的高度和数量，从一个侧面反映一个国家科 学技术水平和经济发展程度，但对于高层建筑亦应适当控制，即要与原有建筑相协调，还 要与城市历史特点相协调。
