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[高层建筑结构设计 考试]浅谈高层建筑结构设计的注意事项

来源:广东快乐十分选二计划 时间:2019-04-20 点击: 推荐访问:高层建筑结构设计

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[摘要]   目前建筑类型与功能越来越复杂,高层建筑的数量逐渐增多,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。本文结合了现代高层建筑结构设计的特点和发展趋势,分析了在高层建筑中,结构设计时应该注意的事项,如高层建筑的基础设计、高层建筑结构设计中的扭转问题、高层建筑结构设计中的振动周期和移动问题等。
  [关键词]高层建筑 结构设计注意事项
  [引言]
  高层建筑是相对于多层建筑而言的,评判一栋建筑是否为高层建筑通常以建筑的高度和层数作为两个主要指标。多少层数以上或多少高度以上的建筑为高层建筑,全世界至今还没有一个统一的划分标准。在不同国家和各国家的不同时期,其规定也有差异,这与一个国家当时的社会经济发展水平是密切相关的。如美国规定高度为22-25m或7层以上的建筑为高层建筑;应该规定高度为24.3m以上的建筑为高层建筑;而日本则规定8层以上或高度超过31m的建筑为高层建筑。
  我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2002)规定,10层及以上或者高度超过28m的混凝土结构民用建筑物为高层建筑。在结构设计时,高层建筑的高度一般是指从室外地面至檐口或主要屋面的距离,不包括局部突出屋面的楼电梯间、水箱间、构架等高度。
  随着社会经济的发展和人口的不断增长,我国城市化水平不断提高,人口密度越来越大,可被利用的建筑用地越来越少,高层建筑的发展顺应了这种趋势,它至少具有三个方面的意义:一是节约用地;二是节省城市基础设施费用;三是改善城市市容。
  一、高层建筑结构的设计特点
  高层建筑结构可以设想成为支撑在地面上的竖向悬臂构件,承受着竖向荷载和水平荷载的作用,与多层建筑结构相比,高层建筑结构的设计具有以下几个方面的特点。
  1.1水平荷载成为设计的决定因素
  (a)(b)
  图1.1高层结构的受力和变形示意图
  对于高层建筑结构,一般是竖向荷载控制着结构的设计。随着房屋层数的增加,虽然竖向荷载对结构设计仍有着重要影响,但水平荷载已经成为结构设计的控制因素。而且,与竖向荷载相比,作为水平荷载的风荷载和地震作用,,其数值与结构的动力特性等有关,且具有较大的变异性。
  在竖向荷载和水平荷载作用下,如图1.1(a)(b)所示,高层建筑结构底部所产生的轴力N和倾覆力矩M与结构高度H分别存在着如下的关系式,即:
  结构底部的轴力
  N = ωH
  结构底部的倾覆力矩
   1/2qH2 (均布水平荷载)
  M =
   1/3qmaxH2 (倒三角形分布水平荷载)
  式中,ω、q、qmax分别为沿建筑单位高度的竖向荷载、均布水平荷载和倒三角形分布荷载的最大值(kN/m)。
  1.2 侧移成为设计的控制指标
  我们知道,随着建筑高度的增加,水平荷载作用下结构的侧移急剧增大,水平位移增加的速度最快,内力次之。因此,高层建筑结构设计时,为了有效的抵抗水平荷载产生的内力和变形,必须选择可靠的抗侧力结构体系,使所设计的结构不仅具有较大的承载力,而且还应该具有较大的侧向刚度,将水平位移控制在一定的范围内。
  1.3 延性成为结构设计的重要指标
  对地震区的高层建筑,应确保结构在地震作用下具有较好的抗震性能。结构的抗震性能主要取决于其能量吸收与耗散能力的大小,而它又取决于结构延性的大小。因此,为了确保建筑结构在进入塑性变形后仍具有良好的抗震性能,需加强结构抗震概念设计,采取恰当的抗震构造措施,来确保结构具有较好的延性。
  二、高层建筑结构设计中的注意事项
  2.1高层建筑基础设计问题
  对于高层建筑而言,基础设计至关重要,要保证地基有足够强度,限制地基变形在允许的范围内以及地基的稳定性,就要使基础有足够的底面积,使基底的平均压力设计值p不超过地基承载力设计值f,即
  P=【(F+G)/A】≤f
   式中F――上部结构传至基础顶面的竖向力设计值;
   G――基础自重和基础上的土重设计值
   A――基础底面面积
   f――地基承载力设计值(是经深度、宽度修正后的地基承载力)
  限制地基变形在允许的范围以内,就是使地基的变形计算值∆不大于地基变形的允许值【∆max】。
  设计中应该注意:
  (1)基础应有足够的耐久性。
  基础因长期处于地下,经常受潮于地下,经常受潮甚至地下水的浸渍。基础应采用耐久性高的材料。钢筋混凝土基础中的钢筋保护层也应相应加大。
  (2)基础应有足够的强度,保证将上部结构传来的荷载安全并尽可能均匀的传到地基上。
  (3)基础方案的确定不仅应满足前诉强度变形稳定的要求,而且应从整体建筑物的刚度与相邻建筑物影响等宏观方面加以考虑,做到安全、经济符合当地可能的施工条件。
  2.2高层建筑承载力要求
  非抗震设计时,结构构件截面承载力设计表达式为
  γ0S≤R
  式中: γ0为结构重要性系数,对安全等级为一级、二级和三级的结构构件应分别不小于1.1、1.0和0.9;R为结构构件的承载力设计值。
  抗震设计时,其表达式为
  S≤γRE
  式中,γRE为承载力抗震调整系数,对钢筋混凝土构件,应按表2-1的规定采用,当仅考虑竖向地震作用组合时,各类结构构件的承载力抗震调整系数均宜采用1.0。
  表2-1 承载力抗震调整系数
  构件类别 梁 轴压比小于0.15的柱 轴压比不小于0.15
  的柱 剪力墙 各类构件 节点
  受力状态 受弯 偏压 偏压 偏压 局部承压 受剪、偏拉 受剪
  γRE 0.75 0.75 0.80 0.85 1.0 0.85 0.85
  
  从理论上来讲,抗震设计中采用的材料强度设计值应高于非抗震设计时的材料强度设计值。但为了方便应用,在抗震设计中仍采用非抗震设计时的材料强度设计值,但要通过引入承载力抗震调整系数γRE来提高其承载力。另外,,对轴压比小于0.15的偏心受压柱,因柱的变形能力与梁相近,故其承载力抗震调整系数与梁相同。
  2.3高层建筑结构设计中的扭转问题
  建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心,在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点,即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一,在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏,应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局,尽可能地使建筑物做到三心合一。
  在水平荷载作用下,高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀,减轻结构的扭转振动,应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下,由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制,高层建筑不可能全部采用简单平面形式,当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时,应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内,同时,在结构平面布置时,应尽可能使结构处于对称状态。
  2.4高层建筑结构设计中的振动周期和移动问题
  建筑结构的建筑结构的振动周期问题包含两方面:合理控制结构的自振周期;控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。
  (1)结构自振周期
  高层建筑的自振周期(T 1)宜在下列范围内:
  框架结构:T1=(0.1―0.15)N
  框一剪、框筒结构:T1=(0.08-0.12)N
  剪力墙、筒中筒结构:TI=(0.04―0.10)N
  N为结构层数。
  结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内:
  第二周期:T2=(1/3―1/5)T1;第三周期:T3=(1/5―1/7)T1。
  因此,在高层建筑设计中,结构工程师应尽可能注意振动周期范围,以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
  (2)共振问题
  当建筑场地发生地震时,如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近,建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期,通过调整结构的层数,选择合适的结构类别和结构体系,扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别,避免共振的发生。
  (3)水平位移特征
  水平位移满足高层规程的要求,并不能说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素。因为结构抗震设计时,地震力的大小与结构刚度直接相关,当结构刚度小,结构并不合理时,由于地震力小则结构位移也小,位移在规范允许范围内,此时并不能认为该结构合理。因为结构周期长、地震力小并不安全。其次,位移曲线应连续变化,除沿竖向发生刚度突变外。不应有明显的拐点或折点。一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型。框架结构的位移曲线应为剪切型t框一剪结构和框一筒结构的位移曲线应为弯剪型。
  3.5位移限值、剪重比及单位面积重度问题
  (1)位移限值在结构整体计算的输出结果中,结构的侧移(包括层间位移和顶点位移)是一个重要的衡量标准,其数值大小从一个侧面反映出结构的整体刚度是否合适,过大或过小都说明结构刚度过小或过大(或者体现结构两个主轴方向的刚度是否均衡),以致要引起设计者对其中的结构体系选择、结构的竖向及平面布置合理性的再思考。
  (2)剪重比及单位面积重度结构的剪重比(也即水平地震剪力系数)λ=VEK/G是体现结构在地震作用下反应大小的一个指标.其大小主要与结构地震设防烈度有关,其次与结构体型有关,当设防烈度为7、8、9度时,剪重比分别为0.012,0.024.0.040;扭转效应明显或基本周期

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