论高层建筑结构概念及高层结构体系.doc

论高层建筑结构概念及高层结构体系摘要：本文从高层结构概念设计的三维层次、高层建筑的结构体系两个方面阐述了设计高层建筑时,它的结构除在上述荷载组合下的强度、 刚度和稳定性应予以保证外,还必须控制由风荷载(或地震水平作用)所产生的侧向位移。 关键词：建筑结构概念设计高层建筑结构体系 一、高层结构概念设计的三维层次 对于高层建筑结构, 可以设想成为一个从地基升起的竖向悬壁构件, 承受水平侧向荷载和竖向重力荷载的作用。侧向荷载是由风吹向建筑物引起的水平压力和水平吸力, 或者是由地震时地面晃动引起的水平惯性力。重力荷载则是建筑物自身的总重力荷载。这些侧向荷载和重力荷载的组合,趋向于既可能将它推倒(受弯曲),又可能将它切断(受剪切),还可能使它的地基发生过大的变形, 使整个建筑物倾斜或滑移。对抗弯曲而言,结构体系要做到不使建筑物发生倾覆,其支撑体系的构件不致被压碎、压屈或拉断, 其弯曲侧移不超过弹性可恢复极限;对抗剪切来说, 结构体系要做到不使建筑物被剪断,其剪切侧移不超过弹性可恢复极限;对地基和基础来说, 结构体系的各支撑点之间不应发生过大的不均匀变形, 地基和地下结构应能承受侧向荷载引起的水平剪力, 并不引起水平滑移。由于风力和水平地震作用力对于高层建筑是动荷载, 使建筑结构抗弯曲和抗剪切时都处于运动状态, 就会导致建筑物中的人有震动的感觉,使人有不舒服感。如果建筑物晃动得太厉害,还会使非结构构件(如玻璃窗、隔墙、装饰物等)断裂,甚至危及屋外行人的安全。所以,高层建筑结构要避免过大的震动。例如:在建造某 12层的办公综合楼,它长48m、宽18m、高 36m。建筑物两边各有 9 根柱,横行柱距为 18m,纵向柱距为 6m,中央有一个6×12m的电梯和管道井筒。考虑水平荷载的传递有几种不同方式,进行结构方案优选,分析两种结构方案:一种为仅由核心筒承受水平力,外柱仅承受大部分竖向荷载,不抵抗水平力,梁和柱铰接;一种为纵横两个方向柱和梁刚接形成框架,来抵抗纵横两个方向的水平力。在方案一中:筒井所受的风荷载1.4×6×8=67.2KN/m,竖向荷载近 似 为15120KN,井简墙自重为6×36×(6+12)×2=7776KN,可得抵抗倾覆弯矩的竖向荷载为22896KN。则可计算出合力偏心矩 e=M/G=67.2×36×18/22896=1.9m,超过核心范围(6/6=1m),不满足稳定要求。必须加强、加宽基础或采用下部锚固,才能避免基础向上抬起。在方案二中:由横行跨度的框架承担全部水平力。因此,在一个方向风荷载作用下,总框架一侧柱子受压,另一侧柱子受拉,并可近似求得总压力或拉力为:67.2×36×18/18=2418.2KN,大致由每侧9 根柱子平均分担 2419.2/9=268,8KN/ 柱7×3×9×10=1890KN, 即比每根柱所承受的恒载小很多,基础不会向上抬起。因此方案二比方案一好,应采用方案二的结构。 二、高层建筑的结构体系 1.框架结构体系 由梁、柱、基础构成平面框架,它是主要承重结构,各平面框架再由梁联系起来,形成空间结构体系。框架结构的优点是建筑平面布置灵活,可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业厅、教室等。需要时,可用隔断分割成小房间,或拆除隔断改成大房间,因而使用灵活。外墙采用非承重构件,可使立面设计灵活多变。但是框架结构本身刚度不大,抗侧力能力差,水平荷载作用下会产生较大的位移, 地震荷载作用下较易破坏。不高于 15 层宜采用框架结构,可以达到比较好的经济平衡点。 2.剪力墙结构体系 剪力墙结构体系是利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构体系。墙体同时作为维护及房间分隔构件。剪力墙间距一般为 3- 8m,现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好,刚度大,在水平荷载作用下侧向变形小,承载力要求容易满足,适于建造较高的高层建筑。而且其抗震性能良好,在历次的地震中,都表现了很好的抗震性能,震害较少发生,程度也很轻微。但是剪力墙结构间距不能太大, 平面布置不灵活,而且不宜开过大的洞口,自重往往也较大,不是很能满足公共建筑的使用要求, 而且其成本也较大。 3.框架―剪力墙结构体系 框架一剪力墙结构体系由框架和剪力墙组成。剪力墙作为主要的水平荷载承受的构件, 框架和剪力墙协同工作的体系。在框架一剪力墙结构中,由于剪力墙刚度大,剪力墙承担大部分水平力(有时可以达到 80%~90%),是抗侧力的主体,整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承受竖向荷载,提供较大的使用空间,同时承担少部分水平力。由于有了剪力墙,其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了, 在地震作用下层间变形减小, 因而也就减小了非结构构件(隔墙和外墙)的损坏。这样无论在非地震区还是地震区, 都可以用