时间：2013-11-29 分类：建筑设计
摘要：随着我国高层建筑的迅速发展，建筑高度也在不断的增加，其建筑类型与功能的越来越复杂化，结构体系也变得更加多样化，对高层建筑结构设计的要求也越来越高。本文在此通过对建筑结构设计的几个注意问题来体现建筑结构设计在整个工程中的重要性。
关键词：高层建筑，结构设计，问题
引言：高层建筑目前在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大，而建筑结构设计方面的变化也越来越多，很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中。建筑类型与功能越来越复杂，高层建筑的数量口渐增多，高层建筑的结构体系也是越来越多样化，高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。面对如此形势，应该把高层建筑的结构设计放在首位加以研究。
一、高宽比的规定
作为结构整体刚度、抗倾覆能力、整体稳定、承载能力的宏观控制指标的高层建筑结构高宽比，对其所作规定是长期工程经验的总结，从当前大部分A级高度的高层建筑来看来，规定其高宽比值是较为实用且较经济合理的。对于结构高宽比的要求从侧向位移、结构稳定、抗倾覆能力、承载能力等性能的规定也可体现出来。当这些规定得到满足时，就不一定要满足高宽比的规定，该规定不再是超限高层建筑抗震专项审查的一个指标，它着重\"不宜超过\"。然而实际建筑工程中，超过高宽比限制的例子却很多。例如，上海金茂大厦88层高达420.15m，深圳地王大厦81层高达320m，因此，当高宽比超过限制时，准确对结构进行更符合实际受力状态的计算分析，例如，对安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等进行认真的分析，设计出更切实可靠的构造措施。
二、材料的选用和结构体系问题
建筑材料或结构体系的选用是在地震多发区工程技术人员较为重视的问题。目前我国150m以上的建筑结构通常采用三种主要结构体系：框一筒、筒中筒和框架一支撑。在国外着三种结构体系也被经常采用。然而，国外在地震区的建筑结构多以钢结构为主，而在我国，钢筋混凝土结构及混合结构却占了总结构的90%。钢筋混凝土结构及混合结构如此之高，无法承受得住较大地震作用的考验。80%以上的地震作用剪力主要是由混合结构的钢筋混凝土内筒所承受，有的甚至达90%以上。由于钢筋混凝土核心筒是其主要结构，这就不利于对变形的控制。但因弯曲变形的侧移在钢筋混凝土核心筒较大，钢框架的靠刚度又很小，在协同其工作时侧移在减小，这样不仅使得钢结构的负担增大，且效果也不明显，这就不得不对混凝土筒的刚度或设置伸臂结构作加大处理，在形成加强层后，才满足了规范侧移限值。除此之外，要在结构体系或柱距变化时进行结构转换层的设置。
三、轴压比与短柱问题
对柱的轴压比进行控制来增大柱的截面，而构造配筋由柱纵向钢筋组成，这是当前钢筋混凝土高层建筑结构中常用的方法，其也就是采用高强混凝土，并保证柱断面尺寸不明显减小。为了能使柱子处于大偏压状态，防止受拉钢筋还未被屈服其混凝土就已被压碎。限制柱的轴压比是一个最好的方法。减小了柱的塑性变形能力，其结构的延性就变得很差，尤其在遭遇地震时，就不能很好的耗散和吸收地震能量，从而严重破坏了其结构。然而，如果在结构中若能确保强柱弱梁设计，且拥有延性较好的梁，这样大大减少柱子进入屈服的可能性，此时，可轴压比限值就可稍作放松。此外，长细小于4的层柱不一定都是短柱。因为柱的剪跨比才是确定是否为短柱的参数，短柱是剪跨比小于2的柱。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。
四、砌体结构设计问题
1、底层框架——剪力墙砌体结构挑梁裂缝问题
底层框架剪力墙砌体结构房屋是指底层为钢筋混凝土框架剪力墙结构,上部为多层砌体结构的房屋。该类房屋多见于沿街的旅馆、住宅、办公楼,底层为商店,餐厅、邮局等空间房屋,上部为小开间的多层砌体结构。这类建筑是解决底层需要一种比较经济的空间房屋的结构形式。部分设计者为追求单一的建筑立面造型来增加使用面积,将二层以上的部分横墙且外层挑墙移至悬挑梁上,各层设计有挑梁,但实际结构的底层挑梁承载普遍出现裂缝,该类挑梁的设计与出现裂缝在临街砌体结构房屋中比较常见。
原因是原设计各层挑梁均按承受本层楼盖及其墙体的荷载进行计算。但实际结构中,悬挑梁上部墙体均为整体砌筑,且下部墙体均兼上层挑梁的底摸,这样挑梁上部的墙体及楼盖的荷载实际上是由上往下传递。上述挑梁的设计计算与实际工程中受力及传力路线不符是导致底层挑梁承载力不足并出现受力裂缝的主要原因,解决的办法要么改变计算简图及受力路线,要么注意施工顺序和施工工序。
2、砌体结构布置方式及抗震分析
(1)横墙承重的结构布置:一般房屋为矩形平面,其横向刚度远小于纵向刚度, 因此有足够数量的横墙,是提高结构抗震性能的主要途径。由震害可知,墙体多为剪切破坏,因此,为了提高横墙的抗震能力,必须提高其抗剪强度。主要措施是提高材料的强度等级,增加横墙上的轴压力。为此,应尽量使横墙成为承重和隔断合二为一的墙体。#p#分页标题#e#
(2)纵横墙共同承重的结构布置。当房间较大时,设有沿进深方向的梁支承于纵墙上,使纵墙承重。楼板沿纵向搁置, 故形成横墙承重,横墙间距不入,一般可满足抗震要求,同时纵墙也因轴压力的存在而提高了抗剪能力。另一方案是纵墙承重与横墙承重沿竖向交替布置,这种方案实际应用不多。
(3)纵墙承重的结构布置。该种布置方案,横墙间距大、数量小,且轴压力较小,故对抗震不利;纵墙多易引起弯曲破坏,应慎重选用。
(4)混合承重结构布置。这种布置可有多种布置方式,如内框架砌体结构、底层框架砌体结构及局部框架砌体结构等。这种结构体系由两种结构材料弹性模量和动力性能相差很大的两种结构体系组成,因而不是一种良好的抗震结构形式。但因其能满足建筑使用要求,提供较大的使用空间,且结构经济、方便施工,应用较多。总之,选择哪种砌体结构是抗震结构设计中的关键环节,应从抗震的概念设计出发,综合建筑使用功能、技术、经济和施工等方面进行选择。
五、结构计算中几个重要参数的合理选取
1、振型数的取值
振型数取多少关系到结构计算结果的精度。对于平面不规则、刚度不均匀的复杂结构,尤其对于多塔结构、大底盘结构,在考虑扭转耦联计算时,很难确定应该取多少个振型来计算地震作用。若振型数取少了,有些高振型的地震作用计算不出来,结构抗震设计不安全;若振型数取得太多,又增加很多计算工作量。一般应遵循以下原则:当不考虑扭转耦联计算时,至少应取3;当振型数多于3时,宜取3的倍数,但不应多于房屋的层数;如层数≤2时,振型数可取2或1,如层数=5层时,振型数可取3,而不能是6;对于不规则的结构,当考虑扭转耦联时,振型数应取≥9,结构层数较多或结构刚度突变较大,振型数应多取,但又不能多于房屋层数的3倍。
2、周期折减系数
框架结构由于填充墙的存在,使结构的实际刚度大于计算刚度,计算周期大于实际周期。因此算出的地震剪力偏小,使结构偏于不安全,所以对结构的计算周期进行折减是必要的。但对框架结构的计算周期不折减或折减系数取得过大都是不妥当的。对于砌体填充墙,周期折减可取 0.6～0.7;砌体填充墙较少或采用轻质砌块时,可取0.7～0.8;完全采用轻质墙体板材时,可取0.9;只有无墙的纯框架,计算周期才可以不折减。周期折减系数不改变结构的自振特性,只改变地震影响系数。
3、梁跨中正弯矩放大系数
此系数主要是对那些楼面活荷载较大的多层建筑设置的,不能泛用。当梁上不计算活荷载或不考虑活荷载的不利布置时,一般取放大系数1.2,以弥补梁跨中弯矩偏小之不足;当多层建筑推导荷载时,将永久荷载与楼面活荷载分开计算,并作活荷载不利布置,此时系数应取1.0,不再放大。一般计算高层建筑时,为了计算简化起见,永久荷载与楼面活荷载不分开计算,也不作活荷载不利布置,此时梁跨中正弯矩放大系数应取1.2。
六、总结
总之，在结构设计中要考虑优化设计,综合考虑各方面因素,尽量采用最为经济和合理的方案。全面考虑各个受力构件的可能承受的各种荷载,竖向承重构件把竖向荷载传递到基础上,还承受风和地震等水平荷载,以及温度应力,这些都要考虑到,布置时要把承重构件放在有利于承受水平荷载和温度应力的位置。平面和立面的布置,要按照均匀、对称和规整原则进行,考虑多道防线,力争避免出现薄弱层。结构的选型和布置及计算的整个设计过程,要综合考虑各方面因素,并进行极限状态的验算,以保证结构设计的方案安全合理。
本文选自《建筑知识》。 《建筑知识》是由建筑师、工程师的学术团体中国建筑学会主办的、建设部主管的一本科普期刊，创刊于1981年，现拥有读者近4万。他们遍及全国的各个设计院、建筑师、工程师、材料商、房地产开发公司、装饰公司、大专院校的学生和各大企业的基建部门。创刊二十多年来，以其严谨的工作作风，博得了广大读者的欣赏与信赖。国内统一刊号：CN11-1243/TU，国际标准刊号：ISSN1002-8544）。中国知网全文收录。
