高层及建筑结构设计要求.docx
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高层及建筑结构设计要求
高层及建筑结构设计要求
摘要:
我国框架结构桥梁体系设计是通过直接采用钢桁梁、柱等结构来直接承受高层建筑物的竖向和垂直水平桥梁荷载的,在多层或高度不大的大型高层建筑中因其应用围较多.本篇文章简要阐述了我国高层建筑桥梁结构框架体系设计分类及基本设计技术要点,分析了框架结构设计的基本技术要求和基本设计原则.
关键词:
新型高层建筑;参数结构设计体系;高层结构设计;高层整体建筑参数结构设定
0引言
高层建筑工程是满足社会经济生产的基本需要和满足人类日常生活使用需求的综合产物,是我国现代建筑工业化、商业化和现代城市化的一个必然结果.而随着科学信息技术的飞速发展,高强轻质建筑材料的大量出现以及建筑机械化、电气化在高层建筑工程中的成功实现等,为促进高层建筑的持续发展应用提供了重要技术基础条件和重要物质基础.
1高层建筑结构体系分类及设计要点
1.1框架结构体系
框架结构桥梁体系主要是通过直接采用柱型梁、柱等结构来直接承受框架建筑结构竖向和横的水平受力荷载的,在多层或高度不大的大型高层建筑中可以应用的比较多第一.我国传统的桥梁结构框架布置都是采用多个主次梁的结构作法以梁为主,后来逐渐逐步发展为多级扁梁或多层无梁覆盖梁,布置建筑框架结构时一定要特别注意对称均匀,并尽量直接使用传力.建筑框架柱型梁是建筑框架结构的主要的抗竖向受力承重和主要抗横向侧力支撑构件,主要用于承受横向压力的应力,但其框架结构中的侧向承重刚度差,侧向受力位移大,当框架建筑结构层数荷载较多时,不宜直接选用纯钢梁框架结构桥梁体系.
1.2剪力墙结构体系
利用高层建筑物的纵向墙体结构进行抵抗竖向侧力承重和墙体抵抗横向侧力,这样它既是一种剪力墙式的结构建筑体系.由于剪力墙的结构间距一般围为3~8m,主要由高层楼板上各构件间的跨度大小决定.所以这种新型结构建筑体系主要适用于高层房间较小的综合住宅、旅馆等高层建筑.现浇高层钢筋混凝土墙体剪力墙本身结构的整体性好,不易出现在墙体水平移动力矩的作用下从而产生墙体侧向承重变形,并且刚度大,墙体占用面积大,承载力强的要求容易得到满足,也可以具有较好的墙体抗震抗蚀性能,我国10~30层的大型高层公寓式综合住宅楼中采用这种结构体系的比较多.但这种新型结构建筑体系中的剪力墙结构间距太小,平面布置不灵活,结构自重较大,不太合适用于大面积空间的高层公共建筑.对于剪力墙墙体结构的建筑平面布置中,要注意避免出现又长又实的剪力墙,要特别注意结构刚度均匀适中.
1.3框架-剪力墙结构体系
将楼板框架和墙体剪力墙机构结合在一起就立即可以形成楼板框架-墙体剪力墙盖的结构设计体系,它同时兼具二者的两大优点,不仅既具有较好的框架承受力和水平应力荷载的推动能力,又兼具有墙体平面结构布局灵活、适用性强的两大优点.合理的框架结构设计,将利于能够促使其与框架、剪力墙很好地形成协同工作,共同配合发挥作用.结构设计时我们应特别注意以下几点:
(1)楼板框架型在剪力墙墙体结构中,楼板对屋盖的承受力较大,水平荷载力将通过其在楼屋覆盖在外的框架和墙体剪力墙之间相互推动转移,一旦形成剪力墙盖的数量相对较少,便于就会容易出现框架应力力的集中.所以设计应在接近整体框架结构两个方向主轴的各方向匀围设置框架剪力墙,合理设置控制框架剪力墙柱的数量,使其结构呈框架式剪力墙特性,以有效增大结构空间利用刚度,有利于保温抗震和防水抗风.
(2)整体框架结构剪力墙及其结构中框架剪力墙结构承受了在水平重力荷载组合作用下的大部分总体的倾覆剪力弯矩和框架基底面的水平弯矩剪力,所以设计应特别注意框架剪力墙结构墙面完整并且应设翼缘或端柱,并以框架纵筋和轴向约束箍筋组合来进行加强;每片框架剪力墙轴向应尽量短一些,其轴向高长比一般不宜大于超过10,以有效减小框架剪力墙的轴向剪切力对变形时的影响.通常说在垂直整体重力水平荷载作用下承重组合作用设计时的压力对框架剪力墙结构产生的整体轴向承压比宜严格控制稳定在0.5左右,这样可降低接近整体框架柱的整体轴向承压比,降低了在垂直整体重力水平荷载组合作用下压力产生的二次承压应力的剪切影响.(3)为了确保证整体框架结构仍力墙具有较好的整体抗侧承压能力和抗伸延性,应尽量按照整体框架结构的设计要求来进行控制。
在框架结构剪力墙及其结构中整体框架梁柱的整体截面高度尺寸.
1.4筒体结构
筒体框架体系使用刚度也比较好,并能同时形成较大的空间使用刚度空间,所以在超高层结构建筑中广泛应用的比较多.筒体体系是由若干片水平纵横纵向交接的筒体框架或其他剪刀墙体所围成的一种封闭式或筒状建筑骨架,并通过各层间的楼面连接加强了纵横连接,使整个建筑骨架体系具有一种比筒体框架或其他剪力墙刚度更好的建筑空间使用刚度.它一般能同时承受较大的水平竖向纵横荷载和大的水平横向荷载.
2高层建筑结构体系设计的基本要求
2.1结构体系应具有合理的地震作用传递途径
布置楼梯和屋盖式桥梁架体系和其他竖向桥梁结构时,应尽量让其他垂直横向重力转换荷载以最短的径向路径快速传递传送到这些竖向柱和墙上构件去,尽量避免这些竖向构件之间发生压力和应力的二次径向转移.侧力转换桥梁结构的设计布置,注意的是应能效的使位于上部桥梁结构中的竖向桥梁构件和墙传来的其他垂直横向重力转换荷载经一次或到两次侧力转换结构传递传送到位于下部结构的其他竖向桥梁构件和墙上去.由桥梁框架、剪力墙、筒体、支撑等部分组成的承承抗力和侧力转换结构必须受力体系明确,传力直接,尽量做到贯通连续,若它们沿着的竖向柱在要求上有较大变化,就要缓慢均匀的进行变化.
2.2结构体系的承载力和变形
结构抗震体系建设应应当具备必要的抗震承载能力和梁端变形屈服能力,而钢筋混凝土框架结构的梁端塑性屈服力重力的分布吸收能力相对较好,能在一定量的程度上有效吸收和充分耗散其在地震中的能量.建筑框架结构地震中的破坏发生机制,应该指的是一个节点基本不发生破坏,同一剪力层中各柱两端的塑性屈服力历程越长越好,梁比柱的梁端屈服历程可能早开始发生、多数晚发生,底层剪力柱底的梁端塑性力铰宜最晚发生形成底部.底层剪力墙建筑结构中底层剪力墙的各柱和墙段的梁端塑性力屈服宜最早产生在剪力墙的底部,连梁宜在底层梁端变形塑性铰应屈服,且梁端变形屈服能力平均应做得足够好,以便于保证在底层剪力墙未能发挥主要抗震保护作用前不至于失效.
2.3结构体系的抗失稳能力
结构支撑体系建设应能保证使一个整体建筑结构在部分建筑结构或其他构件受到破坏的严重情况下仍然具有较好的纵向抗震承载能力或横向承载能力。
中高层建筑整体结构须要具有必要的力赘余度和具有力重量可分配的抗震功能,保证在特震中结构出现部分建筑构件破坏退出正常工作时,其余部分构件也有可能同时承担一定竖向抗震荷载,防止造成整体建筑结构力失效或横向失稳.
2.4结构体系宜有多道抗震防线
框架-墙肢剪力墙主体结构中,剪力墙结构是主要具有抗地震侧力强的构件,也是第一道具有抗震性的防线,所以必须配备具有一定规模数量的墙肢剪力墙,并且所能承受的主体结构底部主体地震各层倾覆效用力矩最大应至少能够达到底部总结构地震各层倾覆效应力矩的50%.各层中主体框架的各部分结构按主体框架和剪力墙体的协同工作方式分配的底部地震倾覆剪力,应至少达到主体框架各层底部地震倾覆剪力最大值的1.5倍或主体结构底部总各层地震倾覆剪力的20%或其中的较小剪力值.墙肢剪力墙主体结构中墙肢可通过合理匹配设置连梁手段组成多肢墙体联肢剪力墙,连梁的墙肢承载力、刚度和墙体变形抵抗能力分别应大于匹配主体墙肢,防止连梁受力过强而使用的墙肢不能产生较大的抗拉力而使墙失效.
2.5结构体系宜具有合理的刚度
高层建筑结构主体采用抗弹性侧力基础结构的主体刚度技术要求须满足有关规中所规定的结构整体稳定、水平横向位移、强度和压延性等技术要求,但现在高层建筑结构主体采用抗弹性侧力基础结构的主体刚度也一般不宜大于过大,以免基础结构所有者占土地面积、空间密度加大,影响高层建筑支承作用,增加建筑地基基础结构负担,加大基础结构的主体截面和增加相应的基础构造部件配筋.所以现在高层建筑结构主体采用抗弹性侧力基础结构中的刚度以主体符合或超过略大于有关规规定限值为准即可.
3高层建筑结构分析的基本原则
3.1整体参数的设定
开始进行结构抗震计算时,应根据设计规和抗震工程实际使用情况等因素来正确匹配设置计算软件的各种初始计算参数,以便于确保进行后续抗震计算所得结果的可靠正确性.在以后进行再次抗震结构计算时时还需充分考虑抗震振型的设计数量,数量多了不仅会造成浪费时间,并且还可能会致使抗震计算结果可能发生重大畸变,数量变得太少又少了会容易使抗震计算结果发生失真,《高规》5.1.1.3-2条条款规定了在抗震结构计算时使用振型表的数量应不宜不得小于15.最大角度地震与应力相互作用时的方向角度可由抗震设计时的软件自动进行计算,但若该周期角度准确绝对值不能超过15°,就不对应重新进行计算.抗震结构的基本设计周期角度是我们计算地震风荷载的重要测量指标,设计初期我们可能不能够知道其准确绝对值,可待抗震计算之后从抗震计算书中重新读取,并重新进行计算.
3.2结构体系的合理性分析
为准确掌握建筑结构在强震应力作用下的受动力变形特性、判断建筑结构的受力变形速度能否完全满足扭转抗震效应设防技术要求,应对建筑结构整体进行建筑整体结构分析,确保结构整体分析结构的设计科学性和结构合理性第二.两个周期数之比主要是指与结构平振扭转运动为主的第一第二自振运动周期与结构平动扭转为主的第一第二自振运动周期之比,它认为是一种控制结构构件扭转抗震效应的重要控制指标,结构设计中认为应严格限定两个周期数之比,以便能够使能承抗层间侧力的建筑构件的运动平面布置更有效更合理.层间侧力位移周期比和刚度比分别认为是一种控制结构构件平面横向不规则性及结构竖向不规则的重要控制指标,《建筑抗震设计规》和《高规》中均对它们分别作出了明确的控制要求.此外,为了保证建筑整体结构的稳定整体运动稳定性及结构安全性,还认为应严格控制好建筑结构的刚性承重重量比和结构剪重比.
3.3结构构件的优化设计
对主体结构轴承整体进行合理性的正确计算和优化调整之后,还要适应正确计算主体结构单个轴承构件的剪力和轴承配筋,如正确计算梁、柱、剪力与护墙轴承承压比,优化单个构件的横截面高度设计等.采用计算软件对配筋混凝土梁进行计算时,出现以下几种特殊情况时,便系统会自动提示主梁超筋:
梁的承载弯矩配筋设计参数值要求超过配筋梁的强度极限最大承载弯矩;配筋超过《抗震规》配筋要求超过梁端面的纵向垂直受力抗拉受力钢筋的最大承载配筋率2.5%;超过混凝土梁斜截面强度计算时的结果可能不符最小配筋截面的一定要求.所以当配筋剪力墙连梁出现超筋时,表明其在折减水平强度地震和应力运动作用下梁的抗筋折剪配筋承载力不够,应对其予以适当调整.在本规中明确允许适当增加折减水平地震应力作用下配筋剪力墙连梁的受力刚度,使其不能出现塑性变形,但还认为应适当保证其他的配筋构件满足出现弹性应力变形时抗剪承载力的一定要求.以上各项计算结果得出初始预计设置的配筋构件最小截面和配筋形状后,还认为应在充分考虑配筋结构的运动周期、位移、地震和应力等的因素前提下,适当增加优化配筋构件最小截面,使其在不能满足一定受力强度要求的条件前提下适当节省配筋材料.
4高层建筑结构受力要求
4.1高层建筑结构设计重点
高层建筑的广泛应用的受益同时,高层建筑空间结构的一个相关设计问题也一直摆在我们面前,建筑物底层地面对高层建筑物部空间结构形式的纵横竖向稳定和物体水平运动方向的稳定都来说是非常重要的,由于高层建筑物本身是由一些大而重的建筑构件所直接组成,因此建筑结构必须尽可能将它本身的结构重量直接传至建筑地面,结构的荷载总是向下一层作用于建筑地面的,而高层建筑设计的一个基本设计要求就是我们要首先搞清楚所需要选择的结构体系中向下的高层作用力与建筑地基土的高层承载力之间的相互关系,所以,在高层建筑设计的总体方案制定阶段,就必须对主要的高层承重柱和次要承重墙的结构数量和受力分布情况作出一个总体上的设想.
4.2水平荷载成为决定因素
一方面,因为建筑楼房自重和建筑楼面水平使用重力荷载在整个竖向建筑构件中所作用引起的轴向应力和弯矩的平均数值,仅与高于楼房高度的一个二次方成正比,而建筑水平使用荷载对建筑结构中所产生的轴向倾覆性和力矩,以及由此在整个竖向建筑构件中的所引起的轴向应力,是与高于楼房高度的两个一次方成正比,另一方面,对某一定建筑高度上的楼房来说,竖向构件荷载大体上应该是个固定值,而不是作为建筑水平使用荷载的承受风荷载和承受地震波的作用,其中的数值通常是随建筑结构整体动力力学特性的不同而有较大较小幅度的线性变化.
4.3轴向变形不容忽视.
高层建筑中,竖向荷载量的数值很大,能够在柱中移动引起较大的构件轴向剪力变形,从而可能会对连续梁弯矩计算产生较大影响。
若造成连续梁中产生问题与支座处的负弯矩的数值相比减小,跨支座中正中负弯矩和跨高端支座负中正弯矩的数值相比增大,还可能会对考虑预制下料构件的横向下料侧移长度计算产生较大影响,要求根据构件轴向剪力变形长度计算的数值对构件下料侧移长度数值进行相应调整,另外对预制构件横向剪力和下料侧移长度产生较大影响,与实际考虑预制构件处的竖向剪力变形长度比较,会容易得出一些偏于不安全的计算结果.
4.4侧移成为控制指标.
与较低高层楼房不同,结构中的侧向偏移已逐渐成为影响高层建筑主体结构设计过程中的一个关键因素.随着高层楼房高度的不断增加,水平侧移荷载作用下建筑结构的侧向偏移荷载变形迅速不断增大,因而建筑结构在较大水平侧移荷载运动作用下的侧向偏移变形应被严格控制在某一一定限度之.
4.5结构的可延性质量是重要建筑设计质量指标.
相对于结构较低层的楼房而言,高层建筑物的结构更柔一些,在强烈地震应力作用下的塑性变形强度更大一些.为了能够使建筑结构在自然进入塑性变形适应阶段后仍能够具有较强的塑性变形适应能力,避免结构倒塌,特别是还需要在建筑构造上同时采取恰当的保护措施,来得以保证建筑结构本身具有一个足够的可伸延性.
5结构计算与分析方面
5.1计算要求
在进行结构工程计算与力分析阶段,如何准确,高效地对整个工程结构进行具体力问题分析并按照设计规中的要求及时进行结构设计和整体处理,是直接决定结构工程设计项目质量效果好坏的重要关键.由于新设计规的不断推出对目前结构工程整体处理计算和力分析部分相当多的部分容已经进行了结构调整和设计改进,因此,结构设计工程师也认为应该相当地对这一设计阶段比较常见的力问题处理有一个清晰的基本认识.
5.2结构选择整体信息计算的主要软件结构选择.
目前比较通用的结构计算处理软件类型有:
satwe,tat,tbsa或者aetabs,sap等,但是,由于各计算软件公司在实际采用的结构计算软件模型上往往存在着一定的类型差异,因此也就导致了各计算软件的结构计算结果也会有或大或小的不同.所以,在我们进行建筑工程结构整体性的结构模型计算和功能分析时必须依据不同结构软件类型和整体计算处理软件结构模型的功能特点等来选择合理的结构计算分析软件,并从不同计算软件类型相差较大的结构计算软件结果中,判断哪个软件是合理的、哪个软件是实际可以用来作为计算参考的,哪个又是应用意义不大的,这将视为是一个结构设计工程师在进行设计结构工作中首要的一项工作.否则,如果我们选择了不合适的结构计算处理软件,不但可能会使人浪费大量的人力时间和心神精力,而且还极有可能会致使整个结构工程有不安全的风险隐患同时存在.
5.3是否需要地震力放大
考虑高层建筑结构隔墙等对工程自振实测周期的折减影响.该第一部分主要容实际上在新老建筑规中都中没有明确提及,只是,在新老的规中根据大量建筑工程的自震实测自振周期情况明确提出了各种建筑结构设计体系下的中高层建筑隔墙结构等在计算工程自振实测周期时的折减影响系数.
5.4振型数目是否足够
在新版本规中还将增加一个关于振型设计参与数目系数的限值概念,并已经明确提出了该振型参数的计算限值.由于在旧版本规中的设计中,并未明确提出一个振型设计参与数目系数的限值概念,或即使明确有该值的概念,该振型参数的计算限值也未必一定能够符合新版本规的设计要求,因此,在本次计算结果分析阶段必须对本次计算分析结果中该振型参数的计算结果限值进行分析判断,并自行决定自己是否有需要及时调整每个振型参与数目的计算取样限值.
5.5多塔之间各地震活动周期的互相扰动干扰,是否存在需要将其分开进行计算
一段时间以来,大型的底盘,多类型塔楼的的超高层建筑结构类型大量不断涌现,而在我们计算如何分析该两种类型的超高层建筑时,是将高层结构类型作为一个数学整体并按多塔类型分别进行综合计算,还是将高层结构人为地将其分开开来进行综合计算,是高层结构设计工程师必须特别注意的一个问题.如果高层多塔间距的刚度系数相差较大,就会很有可能导致出现即使是共振型结构参与的力系数能够满足要求,但是对某一座高层塔楼的最震力进行计算时的误差仍然是具有一定可能较大,从而导致使高层结构工程出现不安全的重大隐患.
5.5非木质结构建筑构件的重量计算与结构设计
在这些高层建筑中,往往还会存在一些由于符合建筑美观或使用功能上的要求且非限于主体建筑承重量或骨架结构体系以的非建筑结构装饰构件.对这部分设计容,尤其对凡是用于高层建筑中在屋顶转角处的一些装饰建筑构件等在进行装饰设计时,由于这些高层建筑的自然地震活动作用和建筑风荷的负载均较大,因此,必须严格按照新建筑规中需要增加的非建筑结构装饰构件的施工计算量和处理技术措施要求进行装饰设计.
6.结语
随着我国城市化建设进程的不断推进加快,城市高层建设工程用地越来越紧,为不断提高建设用地管理效率,城市高层建筑大多开始朝向大型高层和超高层建筑发展,这也为城市建筑的高层结构设计施工提出了更高的技术要求.因而我们广大高层建筑设计从业人员首先应熟练掌握城市高层建筑高级结构设计的一些相关技术要点,合理正确选择城市建筑高层结构设计体系,做好建筑结构设计的成本计算和施工优化,提高城市建筑的高层结构设计安全性,降低结构设计和工程建造施工成本,为经济社会进步创造和输出更多的优质高层建筑设计精品.
参考文献
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中国水利水电,2001.
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[3]吴晓琳.浅析高层建筑结构设计与特点[J].中国高新技术
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