高层结构体系的选择

高层结构体系的选择（精选10篇）

高层结构体系的选择 篇1

1 工程概况

本项目位于山西省太原市, 主要功能为5A级写字楼, 地上部分建筑面积约为9.5万m2, 单层建筑面积约为2 000 m2。

项目地上43层, 结构高度181.1 m (室外地坪至主楼主要屋面板顶) , 标准层层高4.1 m, 设备层层高5.0 m, 主要功能为办公;地下3层, 地下2层、3层层高3.9 m, 地下1层主楼部分层高为7.5 m, 车库部分层高为4.9 m, 主要功能为停车场。

本工程标准层结构平面尺寸为43.2 m×43.2 m。标准层平面结构布置如图1所示。本工程设计使用年限为50年;建筑抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.20g, 设计地震分组为第一组;建筑场地类别为Ⅲ类, 场地土特征周期为0.45 s;基本风压为0.40 k N/m2, 地面粗糙度类别为B类。

2 结构安全等级、抗震设防分类

根据工程概况本工程为办公楼, 属于《建筑结构可靠度设计统一标准》中规定的设计使用年限为50年的一般房屋, 确定本工程建筑结构安全等级为二级。由于本工程地上部分建筑面积约为9.5万m2, 单层建筑面积约为2 000 m2, 结构单元内经常使用人数不超过8 000人, 依据《建筑工程抗震设防分类标准》本工程抗震设防类别为标准设防类, 简称丙类。

3 结构选型

3.1 结构高度

根据建筑功能及平面布置, 本工程结构体系可采用混凝土框架—核心筒结构、型钢 (钢管) 混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构。各结构体系的适用最大高度见表1。

根据表1“型钢 (钢管) 混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构”结构高度超出比例为20.7%, 结构体系采用型钢 (钢管) 混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构较为适合。

3.2 计算结果对比

本工程以上几种结构体系的计算结果如表2, 表3所示。1) 计算对比所采用的计算程序均相同。2) 由于结构体系均为框架—核心筒, 并且在各结构体系中钢筋混凝土核心筒内的剪力墙布置及墙厚均相同, 故仅对框架进行对比。3) 材料及结构布置:底层混凝土强度等级均为C60, 以上各层段混凝土标号均相同;混凝土框架—核心筒结构墙、柱、梁、楼板均采用混凝土结构;型钢混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构、矩形钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构、圆形钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构除柱外, 墙采用混凝土结构, 梁采用钢梁, 楼板采用组合楼板, 板厚换算厚度与混凝土框架—核心筒结构中采用的楼板厚度相同。4) 主要计算参数:混凝土容重:25.00 k N/m3;钢材容重:78.00 k N/m3;计算振型数:30;场地类别:Ⅲ;设计地震分组:一组;特征周期TG=0.45;周期折减系数:0.90;结构的阻尼比 (%) :4.00 (混凝土框架—核心筒结构采用5.00) 。

结构体系抗震等级柱轴压比底层柱截面结构总质量/t最大层间位移角

通过以上计算结果对比可知, 钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构中的圆形钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构具有底层柱截面小、结构总质量小、最大层间位移角小、结构安全储备高以及节点连接相对简单的优势。

综合结构适用高度及计算结果的判断, 本工程结构体系采用圆形钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构体系较为适合。

4 加强层的设置

由于结构的侧向刚度不能满足要求, 根据建筑竖向功能布置, 15层, 30层为建筑避难层同时为设备层, 43层为顶部观光层。本工程可在15层、30层及43层设置加强层。各加强层设置结果如表3所示。

通过表3可知, 加强层设置在15, 30, 43层时最大层间位移角最小, 但设置在43层时会影响屋顶观光层的使用, 故结合建筑避难层及设备层在15, 30层设置加强层较为合适, 既可以满足结构最大层间位移角的要求, 也可以减少对建筑功能的影响。

5 结语

通过对比可知, 圆形钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构具有以下几个方面的优点:1) 结构高度超过规范规定的高度限值最少为20.7%。2) 底层柱截面最小占用建筑面积最少, 结构柱所占面积约为2×16=32 m2。3) 结构总质量轻, 对地基基础的负担相应较小, 方便地基基础的设计。4) 主要结构构件均可在工厂加工制作, 施工现场仅进行安装调整, 可以大大的加快施工进度, 缩短施工周期, 节省投资。

当结构的侧向刚度不能满足要求时, 可利用建筑避难层、设备层的空间设置加强层。这是提高结构侧向刚度, 减小结构最大层间位移角的一个有效措施。因此, 本工程结构体系采用带有加强层的圆形钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构。

摘要：以某超高层结构体系的选择为研究内容, 通过分析该工程项目的结构安全等级与抗震设防分类, 对该工程可采用的混凝土框架—核心筒结构和型钢 (钢管) 混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构进行了对比分析, 经过计算, 选择钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构作为该工程的结构体系。

关键词：超高层建筑,结构体系,计算,对比

参考文献

[1]JGJ 3-2010, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]GB 50011-2010, 建筑抗震设计规范[S].

[3]张文兰.谈钢筋混凝土框架结构设计[J].山西建筑, 2013, 39 (7) :42-43.

高层结构体系的选择 篇2

高层住宅的结构体系不但要承担一系列的垂直荷载，而且还要承担较大的风荷载和因地震而产生的水平荷载，这种水平荷载因建筑物的层数越高而影响越大。

因此，除了必须尽可能的减轻建筑物的自重，尽量选用质地轻，强度高的建筑材料外，还必须使其结构体系具有足够的抗侧移和摆动的能力。

早期的高层建筑承重结构完全采用钢材，因为钢材结构重量相对较轻，材料性能均匀。还可根据需要做成不同的截面，适应性大，还可以制作复杂的大型构件。但是，钢材价格过高，很不经济。只有在建造超高层时才有经济意义。采用钢筋混凝土作为高层建筑的骨架材料，可以做剪力墙结构体系或者框架剪力墙体系，是比较适用的，

目前，我国采用这种形式较多。

一、剪力墙承重体系以一系列剪力墙纵横交错，作为承重结构，又承受水平荷载，并作为分间墙。由于剪力墙承重体系承重墙与分间墙合二为一，采用小开间，则大大约束了住宅平面布置的灵活性，为此，应扩大开间为69m，以满足灵活分隔，增强适应性的要求。

二、框架轻板结构体系框架轻板结构体系能大幅度降低自重，又能使内部空间分隔较为灵活。由于框架结构体系刚度不大，常在其中布置必要的剪力墙共同工作。因而，称作框架剪力墙体系。有时以楼梯，电梯间四周的混凝土墙作为井筒与框架共同工作。有些框架结构既设剪力墙，有设井筒，与框架共同工作。在布置剪力墙时，最好利用这些纵横方向的剪力墙作为分户墙，以避免在墙上开洞。从结构的角度考虑，高层建筑的地下室有助于地面上建筑的稳定，有利于抵抗地震力的冲击。

高层建筑结构特点及其体系 篇3

【关键词】高层建筑；结构特点；结构体系

随着城市化进程加速发展，全国各地的高层建筑不断涌现，作为土建工作设计人员，必须充分了解高层建筑结构设计特点及其结构体系，只有这样才能使设计达到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的基本原则。

1.高层建筑结构设计的特点

高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有：

1.1水平力是设计主要因素

在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

1.2侧移成为控指标

与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与建筑高度H的4次方成正比（△=qH4/8EI）。

另外，高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，在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推刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，否则会产生以下情况：

（1）因侧移产生较大的附加内力，尤其是竖向构件，当侧向位移增大时，偏心加剧，当产生的附加内力值超过一定数值时，将会导致房屋侧塌。

（2）使居住人员感到不适或惊慌。

（3）使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，使机电设备管道损坏，使电梯轨道变型造成不能正常运行。

（4）使主体结构构件出现大裂缝，甚至损坏。

1.3抗震设计要求更高

有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。

1.4减轻高层建筑自重比多层建筑更为重要

高层建筑减轻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，如果在同样地基或桩基的情况下，减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层有突出的经济效益。

地震效应与建筑的重量成正比，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑重量大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，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，从而造成附加弯矩更大。

1.5轴向变形不容忽视

采用框架体系和框架——剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，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，此种轴向变形的差异将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁中间支座沉陷，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。

1.6概念设计与理论计算同样重要

抗震设计可以分为计算设计和概念设计两部分。高层建筑结构的抗震设计计算是在一定的假想条件下进行的，尽管分析手段不断提高，分析的原则不断完善，但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，会出现构件局部开裂甚至破坏，这时结构已很难用常规的计算原理去进行分析。实践表明，在设计中把握好高层建筑的概念设计也是很重要的。

2.高层建筑的结构体系

2.1高层建筑结构设计原则

（1）钢筋混凝土高层建筑结构设计应与建筑、设备和施工密切配合，做到安全适用、技术先进、经济合理，并积极采用新技术、新工艺和新材料。

（2）高层建筑结构设计应重视结构选型和构造，择优选择抗震及抗风性能好而经济合理的结构体系与平、立面布置方案，并注意加强构造连接。在抗震设计中，应保证结构整体抗震性能，使整个结构有足够的承载力、刚度和延性。

2.2高层建筑结构体系及适用范围

目前国内的高层建筑基本上采用钢筋混凝土结构。其结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构等。

2.2.1框架结构体系

框架结构体系是由楼板、梁、柱及基础四种承重构件组成。由梁、柱、基础构成平面框架，它是主要承重结构，各平面框架再由连系梁连系起来，即形成一个空间结构体系，它是高层建筑中常用的结构形式之一。

2.2.2剪力墙结构体系

在高层建筑中为了提高房屋结构的抗侧力刚度，在其中设置的钢筋混凝土墙体称为“剪力墙”，剪力墙的主要作用在于提高整个房屋的抗剪强度和刚度，墙体同时也作为维护及房间分格构件。

剪力墙结构中，由钢筋混凝土墙体承受全部水平和竖向荷载，剪力墙沿横向纵向正交布置或沿多轴线斜交布置，它刚度大，空间整体性好，用钢量省。历史地震中，剪力墙结构表现了良好的抗震性能，震害较少发生，而且程度也较轻微，在住宅和旅馆客房中采用剪力墙结构可以较好地适应墙体较多、房间面积不太大的特点，而且可以使房间不露梁柱，整齐美观。

2.2.3框架—剪力墙结构体系

在框架结构中布置一定数量的剪力墙，可以组成框架—剪力墙结构，这种结构既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，因而广泛地应用于高层建筑中的办公楼和旅馆。

2.2.4筒体结构体系

随着建筑层数、高度的增长和抗震设防要求的提高，以平面工作状态的框架、剪力墙来组成高层建筑结构体系，往往不能满足要求。这时可以由剪力墙构成空间薄壁筒体，成为竖向悬臂箱形梁，加密柱子，以增强梁的刚度，也可以形成空间整体受力的框筒，由一个或多个筒体为主抵抗水平力的结构称为筒体结构。通常筒体结构有：

（1）框架—筒体结构。中央布置剪力墙薄壁筒，由它受大部分水平力，周边布置大柱距的普通框架，这种结构受力特点类似框架—剪力墙结构，目前南宁市的地王大厦也用这种结构。

（2）筒中筒结构。筒中筒结构由内、外两个筒体组合而成，内筒为剪力墙薄壁筒，外筒为密柱（通常柱距不大于3米）组成的框筒。由于外柱很密，梁刚度很大，门密洞口面积小（一般不大于墙体面积50%），因而框筒工作不同于普通平面框架，而有很好的空间整体作用，类似一个多孔的竖向箱形梁，有很好的抗风和抗震性能。

（3）成束筒结构。在平面内设置多个剪力墙薄壁筒体，每个筒体都比较小，这种结构多用于平面形状复杂的建筑中。

（4）巨型结构体系。巨型结构是由若干个巨柱（通（下转第335页）（上接第245页）常由电梯井或大面积实体柱组成）以及巨梁（每隔几层或十几个楼层设一道，梁截面一般占一至二层楼高度）组成一级巨型框架，承受主要水平力和竖向荷载，其余的楼面梁、柱组成二级结构，它只是将楼面荷载传递到第一级框架结构上去。这种结构的二级结构梁柱截面较小，使建筑布置有更大的灵活性和平面空间。

高层结构体系的选择 篇4

关键词：二维体系,梁-板体系,主-次梁体系,密肋体系,无粘结予应力混凝土梁,有粘结予应力混凝土梁

(1) 高层建筑是二维体系:垂直方向和水平方向。楼板是起着分隔上下空间和连接竖向体系的作用, 并成为抗侧力体系的一部分, 所以水平体系设计要考虑竖向体系, 二者兼顾。 (2) 建筑空间功能决定开间大小及其跨度的长宽比、活荷载的大小、高度、边支承条件。 (3) 有些问题在高层结构中变得更加突出和重要: (1) 不同楼盖体系的自重; (2) 倾复力矩是一个很重要而且必须关注的问题; (3) 高层的主、次梁的压型钢板上, 浇筑轻质混凝土的钢-混凝土组合楼盖体系。 (4) 运用正确的判断力把握设计, 方案要做到尽可能避免受扭。

1 平板体系

(1) 支承在方形柱网上的无梁楼盖, 设计成首先在一个方向上有梁支承的单向板传递百分之百的全部荷载, 然后在另一正交方向, 再完全一样传递一次百分之百的全部荷载。 (2) 连续平板, 划分为柱上板带和跨中板带, 分别承担75%和25%的荷载。 (3) 板无法约束柱端的转动, 所以取1/2跨板带即可。 (4) 予应力平板, 可用荷载平衡法的公式配筋, 必须有一定数量的予应力筋设置在柱上板的剪切同边内, 至于其他部位的分布状况却不是关键的。 (5) 最好设有悬挑板, 以平衡弯矩。

2 梁-板体系

(1) 单向板-梁楼盖。

(1) 当某一方向梁所承担的板面荷载小于或等于总荷载的20%时, 则可命名为单向板-梁结构; (2) 当L2/L1.>=1.5时, 可按单向板-梁设计; (3) 短梁可取消, 抗侧力的竖向构件己满足, 但我国规范不允许, 所以设计者要心中有数; (4) 宽扁梁施工困难, 但延性好, 或减小层高。

(2) 双向板—梁楼盖。

(1) 梁与板的刚性比, 对板的承担总弯矩份额有很大影响; (2) 梁的刚度越大, 则按手册计算结果越靠近, 梁刚度越小, 则越向无梁楼板的计算受力状态接近; (3) 过去按手册计算:配筋按最大计算配置;塑性的计算;双向板的薄膜效应; (4) 如果在海边或强腐蚀性地区, 不要用塑性计算。

(3) 现浇梁板共同作用的设计概念。

(1) 由于有现浇板的存在, I值增大许多, 自振周期减小, 地震作用会放大; (2) 梁端负弯矩钢筋的合理分布, 翼缘宽度范围内的钢筋可以计算到梁上部钢筋共同工作; (3) 从一些震害资料知道, 有现浇板时, 裂缝发生在柱上, 而没有现浇板的空框架, 裂缝几乎都出现在框架梁上。

(4) 主-次梁体系:优势:平均折算厚度很小, 重量很轻。

(1) 开间大; (2) 承载能力大; (3) 对框架结构的整体刚度贡献比平板和双向密肋大; (4) 结构受力清晰; (5) 在次梁方向与柱子相连的梁采用次梁截面。

3 柱网与主、次梁的合理布局

(1) 主梁的弯曲变形除满足规范的允许挠度限值外, 还应控制在次梁弯曲变形值的1/2~1/3范围内, 同时还应有足够的抗扭刚度, 特别是在无悬臂次梁的边梁主梁; (1) 一般主、梁跨度比取0.65~0.7比较适宜; (2) 一般短跨为主梁, 长跨为次梁。

(2) 边跨的合理设计:由于多跨中最大正弯矩均在边跨, 故边跨比内跨小15%~20%, 需要的话可设一定长度的悬臂, 长度Lc=0.4L。

(3) 单向密肋——主-次梁体系的一种特殊结构型式。

(1) 这种短跨柱加密, 长跨做成予应力梁, 是有效和经济的。 (2) 整体现浇的单向密肋楼屋盖, 边支承的纵向框架梁的合理设计至关重要, 抗扭刚度与短边的3次方成正比, 所以梁要宽, 做成包柱梁, 建议在单向梁加予应力的同时, 边框架梁的截面核心区内施加最小平均有效予应力0.9N/mm2, 对结构有利。

(4) 双向密肋体系。

(1) 一般房间为方形, 长宽比大于或等于1.5时, 双向作用的意义就微乎其微; (2) 双向予应力密肋楼盖的经济适用跨度是12m~21m, 钢筋混凝土的双向密肋的经济适用跨度为9m~12m, 在10.5m~12m的跨度范围内, 予应力与钢筋混凝土的综合效应基本相当; (3) 双向密肋的网格尺寸常用的2.4m~3.6m, 板一般为100mm, 用模壳板时尺寸要尽量小; (4) 柱顶的网格填实, 或与梁同高的实心板, 起抗冲切作用; (5) 初设时将2/3的总弯矩分配给与柱顶实心板直接相连的这些梁, 而跨中其他的梁则共同承担1/3的设计总弯矩。

(5) 平面或空间桁架组合楼盖。

(1) 高层办公大搂的大跨度楼面和无柱作用空间的需要, 若要在21m~30m, 或更大跨度的开间内选择和设计楼盖结构方案, 则采用平面或空间桁架和轻质混凝土的组合楼盖结构的综合效益最佳; (2) 虽然桁架的截面高度比工字形的实腹梁大, 但在精心设计下, 其最终的楼面层间高度却要比实腹梁小; (3) 跨高比一般平面的在12~20, 而空间的在20~40之间。

4 予应力混凝土设计的基本概念和方法

(1) 予应力是内力, 不是外力。 (2) 予应力有先张法、后张法、有粘结、无粘结。 (3) 避免在混凝土中产生过大的徐变和压缩变形有效予应力对简支梁在4.1~5.5N/mm2超静定的框架则不宜超过3.5N/mm2, 对板控制在1.4~2.8N/mm2。 (4) 予应力混凝土的三个不同概念: (1) 予应力使混凝土变成弹性材料: (2) 予应力使高强钢筋直接有效地与混凝土结合, 应力钢筋锚固后, 即使在外加荷载尚未实施的情况下己主动承受拉力, 其内力抵抗矩的力臂是随外弯矩的大小而变化; (3) 用予应力平衡外荷载, 将受弯构件变成偏心受压构件, 以减小混凝土构件在外荷载作用下的挠度和截面的拉应力。

(5) 无粘结予应力混凝土框架梁设计需注意的若干问题:由于和混凝土之问存在着永久性的滑动这一特性, 导致无粘结予应力混凝土框架梁的结构性能不能象有粘结予应力混凝土框架梁那样尽如人意和直接满足工程的要求。

(1) 极限强度、无粘结筋是平均应变和平均应力, 无粘结予应力梁的极限抗弯强度大大低于相应的有粘结予应力混凝土梁, 最大的可低30%左右。 (2) 延性和耗能由于不可能达到屈服强度, 几乎不耗能; (3) 裂缝、少而宽、梁过早破坏; (4) 连续破坏, 如果锚具出问题无粘结予应力混凝土框架梁就回产生破坏, 而有粘结予应力梁, 只要灌浆好了, 即使把锚具御掉都都不会破坏。所以对无粘结予应力混凝土要有足够的非予应力筋。

论高层建筑结构设计特点及体系 篇5

摘要：当前我国大部分高层建筑工程的结构设计均为钢筋混凝土剪力墙体系、剪力墙—筒体结构体系，此外较常用的还有框架结构体系、筒体体系等。本文就高层建筑结构设计的特点进行简要的分析、探讨，并对国内高层建筑的四大结构体系：框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构进行简要阐述。

关键词：高层建筑；结构特点；结构体系

改革开放以来，我国建筑业有了突飞猛进的发展。近年来我国建筑面积已达到2亿平方米，建成高层建筑万栋。随着城市化进程的加速发展，全国各地的高层建筑不断涌现。作为土建工作设计人员，只有充分了解了高层建筑结构设计的特点及其结构体系，才能使设计达到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的基本原则。

一、高层建筑结构设计特点

1.1 水平荷载成为决定因素

在低层和多层建筑结构中，大部分是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而对于高层建筑来讲，尽管竖向荷载仍对结构设计有着重要的影响，但水平荷载却起决定性作用。主要是由于一方面来讲，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

1.2 轴向变形不容忽视

采用框架体系和框架—剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，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，此种轴向变形的差异将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁中间支座沉陷，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。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

1.3 侧移成为控制指标

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷載下结构的侧移变形迅速增大，与建筑高度 H的 4 次方成正比（△= qH4/8EI）。另外，高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大，在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推刚度。因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。否则会产生以下情况：1.因侧移产生较大的附加内力，尤其是竖向件，当侧向位移增大时，偏心加剧，当产生的附内力值超过一定数值时，将会导致房屋侧塌。2.使居住人员感到不适或惊慌。3.使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，使机电备管道损坏，使电梯轨道变型造成不能正常运行4.使主体结构构件出现大裂缝，甚至损坏。

1.4 结构延性是重要设计指标

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有

1.5抗震设计要求更高

有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。

1.6减轻高层建筑自重比多层建筑更为重要

高层建筑减轻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，如果在同样地基或桩基的情况下，减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层有突出的经济效益。地震效应与建筑的重量成正比，减轻房屋自重大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，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，从而造成附加弯矩更大。

二、高层建筑的结构设计体系

2.1剪力墙结构体系

高层建筑的剪力墙体系，其主要是指全部采用了平面剪力墙构件的主体受力结构。在此种高层建筑结构设计体系中，所有的水平作用力、垂直荷载均施加在单片剪力墙之上，该结构设计体系主要采用的是刚性结构，从而有着较高的刚度、强度，其位移曲线呈弯曲形态。高层建筑采用剪力墙体系的优点在于，延展性较强，传力均匀且性能较强，有着良好的整体性适用高度超出框架、框架——剪力墙体系，是一种性能良好、状态稳定的结构体系。

2.2框架结构体系

高层建筑结构的设计，倘若采用框架结构体系，其主要是利用柱体、梁架、基础共同组成一个平面框架，同时将其作为建筑的主要承重结构，最后通过梁的连结，使各个平面框架组合形成一个整体的空间结构体系。此种结构体系的优点在于：可灵活布置建筑的内部平面，可从中设置空间容积较大的餐厅、会议室、教室等；必要时，可通过隔断的安设与拆除，将建筑的平面布局为大空间或分割成小居室，灵活调整以满足使用需求；建筑的外墙通常会选择使用非承重构件，从而能够自由调整建筑的立面设计。值得注意的是，此种结构的刚度较小、抗测力能力较差，在地震所产生的荷载与水平荷载的作用力下，将发生大幅度位移、破损，对于超出十五层高度的建筑不宜采纳，相反则可实现建筑结构经济性、安全性的平衡。

2.3框架—剪力墙体系

对于选择框架结构体系的高层建筑，倘若其刚度、强度无法满足安全标准及有关要求时，通常需要利用质量较大的剪力墙，来替换建筑平面部分位置的框架结构，使剪力墙与框架形成一个整体，即框架—剪力墙结构体系。在水平荷载的作用下，充分利用了刚度较强的连梁、楼板，使剪力墙结构体系部分与原有框架结构体系形成一个整体，协同承受水平力。高层建筑采用框架—剪力墙结构体系，水平剪力主要由剪力墙的部分结构来承受，而垂直荷载则由原有框架结构承担，其位移曲线呈弯剪形态。此种结构体系的优点在于：通过剪力墙的增设，提高了建筑结构体系的侧向刚度，大幅缩减了建筑的位移数值，同时也有效降低了原有框架结构所负担的水平剪力并竖向均匀地分散了内力。由此可以看出，此种结构体系的总体性能优于框架体系。

三、结束语

我国的高层建筑逐渐随着经济的高速发展而越来越多，这就对高层建筑的施工质量要求也提出了相当高的标准。高层建筑有一个好的基础是整个高层建筑工程质量的关键支撑。然而在高层建筑的基础建设中，一些看似对整个工程质量没有什么影响的违规操作，却可以给整个建筑的施工质量埋下巨大的安全隐患，所以，在高层建筑的施工工程中，一定要严格的按照规定的施工标准来进行，不要有违规操作，确实保障高层建筑的安全可靠性。

参考文献：

[1]卢明.大底盘多塔高层建筑结构分析.河北工程大学.2008.

[2]张同亿，李从林，许菊萍.高层框支剪力墙结构地震反应分析的超元法[J].地震工程与工程振动；2002（02）.

[3]王崇昌，马克俭等.高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构分析[M].贵州人民出版社.1989.

基于某高层结构体系的选型研究 篇6

关键词：高层建筑,结构选型,支撑体系

0 引言

随着社会的进步,高层建筑在世界各地范围内得到越来越广泛的应用和发展。目前,在确保其可靠度的前提下,正沿着降低造价、节约材料、保证质量并向更高高度等方向发展。高层建筑的发展主要有如下特点:(1)材料高强性、混合化;(2)体形通透性、圆锥化;(3)构件立体化;(4)反应智能化;(5)结构支撑化;(6)轻量化。由于高度因素,高层建筑受力除了来自自重和使用荷载作用外,还受风载、雪载及地震力等侧向荷载的作用。所以,必须根据我国现行规范、规程的相关要求对新建高层建筑进行抗震设计,以期达到“大震不倒”、“中震可修”、“小震不坏”的设防标准。

建筑结构的结构选型、方案设计在整个设计中占有非常重要的地位。因此,能科学处理好结构体系的选型问题,不仅关系到整个结构基本特性和受力情况,还影响到建筑的抗震性及安全性,并且对高层建筑从设计、施工、使用到维护等都具有很重要的意义。

1 计算模型及基本计算数据

1.1 工程概况

本文所研究的建筑为地下三层,地上四十五层,主体高185.7m。标准层层高为3.9m,首层及第二层高度为4.8m。其结构布置图如图1所示。楼面为压型钢板混凝土组合楼板,板厚100mm,活荷载2.0 kN/m2,恒荷载1.7kN/m2。II类场地,第二组,抗震设防烈度为8度。

结构有5种典型的钢框架-支撑,均布置在外框柱间。采用型钢规格为H400×400×22×30,各方案Y方向支撑布置方式见图2所示,X向与Y向支撑布置类似。用ETABS建立有限元分析模型并对其进行相应分析。

1.2 计算结果

1.2.1 楼层质量

由ETABS有限元计算分析所得各方案楼层重力情况。楼层质量由大到小依次为4>3>1>5>2。由此可知,在梁、柱、次梁等主要构件和楼盖恒、活荷载一定的前提下,楼层质量差别主要取决于其支撑因素。

1.2.2 模态分析

采用Ritz向量分析法进行模态分析。结构各方案计算所得前六阶自振周期,可得方案3、4前6阶振型周期基本接近,周期最小,从一定程度说明这两种方案各向刚度较大。支撑分布差别较大的方案2与方案5第1和第4周期很接近,其它各阶振型周期差别较大。以上各方案,第3与第1和第2振型周期之比均小于0.9,扭转效应对各方案影响甚微。在此,定义参数ε为楼层总质量与结构第1振型之比。通过计算得到五种结构方案的系数ε值和等效刚度见表1。由表可知,支撑布置在中间跨的方案2最小,而方案4最大。所以可得,支撑布置在中间结构地震作用最小,在边跨结构最大,巨型支撑方案结构则居中。

1.2.3 反应谱分析。

此法是将动力问题转换为等效的静力问题从而获得各个振型反应的方法。考虑到地震作用的随机性及不确定性,分析时采用可兼容平动-扭转耦联振动的CQC法。得单向地震作用下楼层剪力如图2所示。各方案楼层层间位移角如图3所示。

由计算分析结果以及楼层剪力分布可知各方案楼层双向剪力相差甚小。从结构平面图和支撑布置看,X向比Y向跨度和刚度大,但Y向差别比X向位移角小。而方案5层间位移角变化均匀。Y向各形式下层间位移角相比差别较小,X向楼层位移角方案2<1<4<3,方案5介于方案2和方案3之间。

1.2.4 时程分析。

采用EI-Centro波对各方案进行模拟分析,大震时加速度最大值取400cm/S2。小震取70cm/S2,阻尼系数取0.02。

从计算结果来看,无论是从小震还是大震,模态分析时得出的各方案结构刚度与方向最大水平位移成反比。

2 结论与建议

(1)高层建筑自振周期受支撑的布置方式影响较大,合理的布置方式可以使其自振周期得到有效的控制。(2)结构位移及层间位移角受水平加强层的有效控制,但由于结构局部刚度突变,在进行相应设计时应慎重考虑。(3)经分析研究,五种支撑布置方案的结构的抗震性能结论见表2。

参考文献

[1]徐培福.复杂高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社,北京,2005.

[2]方鄂华,钱稼茹.高层建筑结构设计.北京:中国建筑工业出版社,2003.

[3]陈章洪.建筑结构选型手册[M].建筑工业出版社,2000.

[4]王心田.建筑结构体系与选型[M].上海:同济大学出版社,2003,1-2.

高层建筑结构的设计特点及体系 篇7

1. 高层建筑结构设计的特点分析

1.1 结构设计的主要因素

在高层建筑工程项目中, 建筑结构的设计主要取决于结构自重所产生的水平荷载。究其原因, 主要是由于建筑的自重对竖向构件施加荷载所产生的弯矩数值、轴力数值, 将随着建筑层高的增加而呈小倍数同步增长;而建筑自重所产生的水平荷载, 对竖向构件施加作用力所引起的轴力、对结构体系施加的倾覆力矩, 将随着建筑层高的增加而呈多倍数同步增长。此外, 一般情况下, 高层建筑的竖向荷载通常是不变的, 而当建筑结构的动力特性发生改变时, 作为水平荷载的地震作用、风荷载的具体数值将不同程度的发生变化。

1.2 主要控制指标

相较于普通建筑、多层建筑, 高层建筑结构设计的控制, 其关键在于建筑结构的位移, 而随着现代高层建筑的层数的不断加大、水平荷载的持续增加, 其主体结构的侧向位移、变形幅度也将同步加大。在实际进行高层建筑的设计时, 不仅需要考虑到建筑结构的强度要求, 同时还要保证其具有足够的抗推刚度, 从而在水平荷载下, 将结构的位移控制在安全范围之内。

1.3 轴向变形问题

由于现代高层建筑的层数不断增加, 其竖向荷载所施加的作用力也将同步提高, 从而往往会造成柱体内部出现大幅度的轴向变形, 以至于影响到连续梁弯矩, 最终势必会降低连续梁中部支座区域的负弯矩数值, 而端支座的负弯矩数值、梁跨中正弯矩数值将有所增加。此外, 轴向变形还会影响到建筑预制构件的下料长度。在实际进行构件的预制时, 应根据轴向变形的具体情况进行全面、系统的计算, 将其结果作为主要依据, 及时调整下料长度。

1.4 关键设计指标

在由地震所产生的作用力之下, 相较于普通房屋、多层建筑, 高层建筑结构延展度、允许变形幅度较大。究其原因, 主要是由于高层建筑的高度过大, 在外在作用力之下, 为避免发生倒塌, 需要在建筑的构造上采取特殊处理, 以此保证建筑的主体结构在进入塑性变形期后, 仍具备一定的变形能力, 提高其延展性, 保证变形范围的最大化。

2. 高层建筑结构设计方案的对比

以某在建12层的高综合写字间为例, 该建筑的长、高、宽分别为48m、36m、18m, 两侧共设有9根纵向间距设定在6m、横向间距设定为18m的柱体。此外, 建筑的内部设有6×12m的管道井筒、电梯。

结构设计方案1:该方案是利用建筑的框架结构来承担所有水平力, 在方向不变的风载作用下, 框架两侧的柱体各自处于受压、受拉状态, 按照有关公式经过计算得出67.2×36×18/18=2418.2KN, 即总压力、拉力。在此基础上, 通过计算公式2419.2/9=268, 8KN/柱<7×3×9×10=1890KN可得9根柱体的平均受力小于恒载, 建筑的基础相对稳定、安全。

结构设计方案2:经过详细计算6×36× (6+12) ×2, 可得出建筑井筒墙的重量为7776KN, 而井筒所承受的风力荷载为1.4×6×8=67.2KN/m, 建筑结构的竖向荷载约15120KN左右, 抵抗倾覆弯矩的竖向荷载为22896KN。最后, 通过计算合力偏心距, e=M/G=67.2×36×18/22896=1.9m, 确认其超出安全范围、不符合稳定标准, 必须采取基础加固措施。

综合考虑多种形式的水平荷载, 对两种方案进行对比、分析, 不难发现, 方案1的稳定性、安全性优于方案2。由此可见, 高层建筑结构设计有着多种体系, 在设计前应综合考虑项目的实际需要与情况, 进行严格的筛选, 从中选取最佳方案才能确保建筑的质量安全。

3. 高层建筑的结构设计体系

3.1 剪力墙结构体系

高层建筑的剪力墙体系, 其主要是指全部采用了平面剪力墙构件的主体受力结构。在此种高层建筑结构设计体系中, 所有的水平作用力、垂直荷载均施加在单片剪力墙之上, 该结构设计体系主要采用的是刚性结构, 从而有着较高的刚度、强度, 其位移曲线呈弯曲形态。高层建筑采用剪力墙体系的优点在于, 延展性较强, 传力均匀且性能较强, 有着良好的整体性, 适用高度超出框架、框架——剪力墙体系, 是一种性能良好、状态稳定的结构体系。

3.2 框架结构体系

高层建筑结构的设计, 倘若采用框架结构体系, 其主要是利用柱体、梁架、基础共同组成一个平面框架, 同时将其作为建筑的主要承重结构, 最后通过梁的连结, 使各个平面框架组合形成一个整体的空间结构体系。此种结构体系的优点在于:可灵活布置建筑的内部平面, 可从中设置空间容积较大的餐厅、会议室、教室等;必要时, 可通过隔断的安设与拆除, 将建筑的平面布局为大空间或分割成小居室, 灵活调整以满足使用需求;建筑的外墙通常会选择使用非承重构件, 从而能够自由调整建筑的立面设计。值得注意的是, 此种结构的刚度较小、抗测力能力较差, 在地震所产生的荷载与水平荷载的作用力下, 将发生大幅度位移、破损, 对于超出十五层高度的建筑不宜采纳, 相反则可实现建筑结构经济性、安全性的平衡。

3.3 框架——剪力墙体系

对于选择框架结构体系的高层建筑, 倘若其刚度、强度无法满足安全标准及有关要求时, 通常需要利用质量较大的剪力墙, 来替换建筑平面部分位置的框架结构, 使剪力墙与框架形成一个整体, 即框架——剪力墙结构体系。在水平荷载的作用下, 充分利用了刚度较强的连梁、楼板, 使剪力墙结构体系部分与原有框架结构体系形成一个整体, 协同承受水平力。高层建筑采用框架——剪力墙结构体系, 水平剪力主要由剪力墙部分结构来承受, 而垂直荷载则由原有框架结构承担, 其位移曲线呈弯剪形态。此种结构体系的优点在于:通过剪力墙的增设, 提高了建筑结构体系的侧向刚度, 大幅缩减了建筑的位移数值, 同时也有效降低了原有框架结构所负担的水平剪力并竖向均匀地分散了内力。由此可以看出, 此种结构体系的总体性能优于框架体系。

3.4 筒体结构体系

筒体结构体系, 其主要是指将筒体作为主要抗侧力构件的建筑结构。高层建筑所采用的筒体受力构件, 可大致将其分为空腹筒、实腹筒两种。其中, 空腹筒受力构件, 主要是由开孔钢筋混凝土外墙、密排柱、窗裙梁以几种组合方式构成的构件;实腹筒受力构件, 主要是由曲面墙、平面墙共同围组而成的立体竖向结构单体。此种体系的优点在于:强度、刚度较大;各个构件的受力均匀、合理;有着良好的抗震性能、抗风能力。对于空间、跨度较大的超高层建筑, 采用此种结构体系较为适宜。

4. 结束语

高层结构体系的选择 篇8

1 高层建筑结构体系

1.1 高层建筑结构体系的设计原则

(1)钢筋混凝土高层建筑的结构设计不应该是孤立的,而应该与建筑本身、设备状况和施工紧密结合在一起,做到安全适用、经济合理、技术先进。并积极采用新材料、新技术。

(2)高层建筑的结构设计要注重对结构体系的选择,并注意加强构件连接的构造设计。对于高层建筑的抗震设计,要保证结构有足够的刚度、延性和承载力。

1.2 高层建筑结构体系分类

1.2.1 框架结构体系

它是通过梁、柱组成的框架来承受竖向和侧向载荷的结构体系,多适用于6～15层的建筑。因框架结构能提供较大的建筑空间、平面布置灵活,目前在办公、住宅、医院、学校、工厂厂房的建筑中被广泛应用。但是框架结构也存在着本身柔性较大、抗测力能力较差的缺点。

1.2.2 剪力墙结构体系

其主要优势是能提高整个房屋的抗剪强度,同时墙体本身也可作为房间的维护及分格构件。但是在剪力墙结构中,底层柱的刚度较小,会形成刚度突变,在地震发生时底层柱可能产生很大的内力和塑性变形。

1.2.3 框架-剪力墙结构体系

框架一剪力墙结构是结合框架结构和剪力墙结构的新的结构形式。在框架结构中布置适当数量的剪力墙,可以提高建筑的刚度和抗震性,同时这种结构布置也相对灵活,使用上也相对方便,因此被广泛应用在高层建筑中

2 加固改造技术

2.1 高层建筑进行结构加固改造技术的重要性

建筑物使用时间过长会导致其结构功能的下降,不仅不能满足其使用功能,还可能形成安全隐患。尤其对于高层建筑物来说,这种结构加固改造技术能充分提高建筑物结构的整体性能,同时也能取得良好的社会效益。如果不能及时防止可能出现的建筑结构问题,没有采取有效的防止措施,就可能导致人们生命及财产安全的损失。加固改造方案在不同的操作过程中也不同,只有明确结构加固的各种具体改造方法,才能达到预期的、良好的加固效果。

2.2 高层建筑结构的加固方法

常用的高层建筑体系加固方法有:①框架结构:增加剪力墙调整为框剪结构;增加钢结构支撑调整为架架支撑结构;增加阻尼元件将结构变为减震结构;增加隔震装置调整为基础隔震结构等;②框剪结构:增加剪力墙、加固框架,改善其抗震性能;增加阻尼器改变结构的动力特性,达到减震的目的;设置隔震装置,将原结构调整为基础隔震结构等。高层建筑结构和抗震加固中,针对具体构件加固的方法主要有:

(1)高层建筑基础结构的加固

常用的基础结构加固包括有抬墙梁法、基础加宽法和墩式加固法三种。抬墙梁法是在桩或者墩的基础之上,钢筋混凝土梁或者钢梁在基础梁下穿过,以将新增结构荷载支撑起来。抬墙梁的平面设计位置要尽量避开门窗,或者对门窗洞口加固,并将砖墙的梁支承处的承压强度验算出来。采用基础加宽法,就是对条形基础和柱基进行加宽处理。条形基础为一侧或者两侧的加宽技术处理,而柱基则是四边加宽。加宽的基础,每间隔1～1.5m,就安装一根钢筋混凝土减荷梁。采用墩式加固法,就是将基础下分段挖空,一直到持力层之后,为了使其能够对于增层结构荷载有足够的承受例,就要浇筑墩式混凝土基础,将分段基础联结成为一体。

对于基础加固可以通过增大基础面积来实现。当上部的结构加固完成之后,计算出所能够承受的荷载,得出基底需要增大的面积。在墙轴线相对独立的基础空白位置,需要按照新的条形基础进行设计。为了能够使截面的高度达到条形基础所需,在相对独立的基础上要进行混凝土叠加。将原有的基梁至基础梁志坚加工成为剪力墙,使其转变成为条形基础。

(2)对混凝土结构的加固

①增大截面积加固法:该方法在实施的过程中具有施工简单的特点,通过采用同种材料,就可以加大建筑梁截面的截面积达到提高其承载力的目的,进而实现建筑结构的改造加固,图1为柱基础外包混凝土加固方法。增大截面积加固技术对于施工人员的专业技术素质具有较高的要求,但是适用性较强,在一般的混凝土加固中都可得到应用。

②置换混凝土加固法:这种方法是将建筑结构中达到一定程度损坏的混凝土或者相对性能低下的混凝土使用高强度混凝土替换,以提高建筑物的抗压性能。

③外加预应力加固法:是通过采用外加预应力的方式,通过改变建筑结构的受力而达到加固的目的。这种方法一般用于结构跨度大的建筑物,以及混凝土处于高应力状态的建筑物加固。

2.3 上部结构加固措施

2.3.1 剪力墙设置

既有的框架结构需要在构造上符合剪力墙要求,才能够在其中设置剪力墙。在原框架的地面和侧面的交界面上凿毛,设置拉结筋之后封闭好。采用植筋在墙的底部和梁之间建立起连接。以加大框架梁的侧面和地面。

2.3.2 横向框架和纵向框架的加固

当剪力墙设置完毕之后,横向框架会出现承载力不足的问题,但是却解决了弯曲和受剪的问题,主要原因在于原框架梁的跨度缩小为原来的1/3,荷载效应相对减小所形成的。相比较而言,虽然纵向框架梁承载力也会有所不足,但是由于在围护墙上要设置有门洞,因此在通常情况下无需增设剪力墙段,只要提高梁截面的加固程度,并提高规范梁的支承点。此时,可以选择使用间接加固的方法,以满足过低的混凝土强度。

3 项目工程实例

江苏省常州市某高层住宅在14～28层住宅楼原本为剪力墙结构,建筑项目面积约5万m2,有地下一层结构。原定项目设计地下二层为办公及商业用房,地上建筑为住宅。然而,因为市场的不断变化,需要将原拟定的结构及第二层剪力墙拆除,增添门洞,所以,原定结构转为地上三层。依据设计标准,梁、柱均采用外包型钢、增加横截面积、粘接钢法等进行加固,同时在原构造柱间加增抗震墙体,将部分剪力墙进行静力拆除,整体项目工程遵循先加固,后拆除的施工原则。

3.1 改造并加固钢筋混凝土框架支护柱

该工程应用外包钢筋混凝土进行支护,增加框支柱的横截面积,或者在原定钢筋混凝土暗柱出增添钢筋混凝土。其流程为:先将原混凝土的棱角消除,把混凝土柱表面的残渣清理干净,然后开槽、凿毛,利用焊接的方法将钢筋同原始柱连接在一起,利用吸尘设备清除灰尘,再在混凝土表面喷涂环氧剂,最终进行混凝土支模、浇筑。

3.2 对钢筋混凝土框支梁进行加固

该工程选用三面外包钢筋混凝土的方法加固框支梁在框支梁的底部及侧面都新添主筋,对原有结构进行锚固,在新增添的框支梁钢筋贯穿原始结构期间,利用空心钻钻孔,孔径约为40mm,待钢筋贯穿后,利用环氧胶泥进行密封。

3.3 增添新的剪力墙

因为拆除了部分剪力墙,所以,建筑项目整体的改变较大,想要降低影响,需要在原定剪力墙位置新增添两道剪力墙。其厚度约为450mm,剪力墙内加配三道直径为14mm的钢筋,并且在原始结构中加暗柱加厚。选用强度等级为C45的混凝土进行两段浇筑,并加大养护力度。

3.4 静力无损机械拆除剪力墙

因为通过人工或者其他机械方法进行剪力墙拆除很容易对该项目的稳定性造成影响,所以,需要通过静力无损机械的方法其能够将粉尘、造成影响降至最低、并且对建筑项目的作用最小。该工程采用专业的钢筋混凝土蝶式切割设备、油压挤压大力钳等机械设备进行工作,从而为后续工作奠定了扎实基础。

该项目整体施工难度较高,涵盖的专业性较强,需要管理人员及施工从业者互相协调。该项目于2008年6月完工,至今已存在6个年头,经过对其多次检查,施工质量优良,加固施工基本同设计改造的要求标准相吻合。

4 结论

总而言之,随着社会经济的发展,高层建筑结构系统的施工质量及施工技术越来越受到人们的关注。相关工作人员应对其进行深入研究。本文针对上述问题进行了一定的探讨,所述的观点和信息可供高层结构加固设计和施工参考。

参考文献

[1]俞春浩.浅谈建筑结构加固改造技术[J].中国科技信息,2013(02).

[2]尹跃刚.简述建筑结构的加固方法与施工[J].科技与企业,2011,(11):199~201.

[3]潘治才.浅谈房屋工程结构加固改造技术[J].科技风,2010(20).

高层结构体系的选择 篇9

关键词：高层建筑结构,概念设计,结构体系

近些年来, 建筑业有了突飞猛进的发展, 城市规划设计中的高层建筑越来越广泛。它以其高度强烈地影响着规划、设计、构造和使用功能。就结构特性而言, 高层建筑是必须着重考虑水平荷载和竖向荷载组合影响的建筑物。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, 防止由此产生的结构的和非结构性材料的破坏;控制由风荷载造成顶部楼层的加速度反应, 以使用户对摆动的感觉和不舒适感降到最低程度。这就需要设计师从一开始就应该以一个立体的概念设计为基础。

一、高层结构概念设计

(一) 高层结构概念设计的三维层次

把房屋看成一个三维空间块体分层次来分析, 对于复杂的高层, 例如多塔机构也可以把它分成几块, 分别研究其倾覆、刚度、承载力等问题, 然后组合起来。首先, 在方案阶段 (Ⅰ) , 可以把基本设计方案概念化, 建立一个符合建筑空间三维形式的结构方案。在该阶段分析总结构体系的荷载和抗力关系;高宽比与抗倾覆;承载力和刚度;并预估基本分体系的相互关系。由于整个结构必然是由一些平面单元组成, 因此在初步设计阶段 (Ⅱ) , 要扩展方案, 把那些体现初步设计基本要求的、主要是二维的平面体系包括进来, 进行基本水平和竖向分体系的总体设计, 从而得到主要构件及其相互的关系。而在最后的第Ⅲ阶段, 即施工图设计阶段, 处理一维的构件设计, 具体设计所有分体系的构件、连接和构造详图, 对第Ⅱ阶段做出的粗略决定进行细化。

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:在建造机关事务局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:筒井所受的风荷载为1.4×6×8=67.2KN/m, 竖向荷载近似为15120KN, 井筒墙自重为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

通过受力因素分析, 下一步就考虑采用什么结构体系, 有下面几种高层建筑结构体系可供选择, 其结构体系有:框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒中筒结构等。根据其受力特点, 结合高层概念设计的三维层次考虑, 选取合适的结构体系或其组合体系。

(一) 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。

(二) 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。

(三) 框架-剪力墙结构体系

框架-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-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, 都可以用来建造较高的高层建筑。还可以把中间部分的剪力墙形成筒体结构, 布置在内部, 外部柱子的布置就可以十分灵活;内筒采用滑模施工, 外围的框架柱断面小、开间大、跨度大, 很适合现在的建筑设计要求。

(四) 筒中筒结构体系

筒中筒结构体系由一个或多个筒体为主抵抗水平力。通常筒体结构基本形式有三种:实腹筒、框筒及桁架筒。筒体结构最主要的特点就是它的空间受力性能。不论哪一种筒体, 在水平力作用下都可看成固定于基础上的箱形悬壁构件, 它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力, 并具有良好的抗扭刚度。筒中筒结构是一种抵抗较大水平力的有效结构体系, 但是由于它需要密柱深梁, 当采用钢筋混凝土结构时, 可能延性不好, 而且造价昂贵。

除了上述的几种结构体系外, 还有其他一些结构体系, 如薄壳、膜结构、网架等。随着时代的进步, 会涌现出越来越多更好的结构体系。这就需要不断学习, 从各方面考虑运用经济合理的手段到达目标。

参考文献

[1]GB50011-2001建筑抗震设计规范[S].

[2]JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]包世华, 方鄂华.高层建筑结构设计[M].北京:清华大学出版社, 1990.

高层建筑结构体系浅谈 篇10

1 高层建筑中常用结构体系和其特点的分析

高层建筑中常用的结构体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体以及它们的组合。

主要分为:a.一般高层建筑结构体系。一般高层建筑结构体系包括框架体系、剪力墙体系、框架-剪力墙体系、框架-筒体体系、框筒体系、筒中筒体系等结构体系。b.复杂高层建筑结构体系。复杂高层结构体系指带转换层结构体系、连体结构体系、悬挑结构体系、带加强层结构体系、平面不规则结构体系等。c.新颖高层建筑结构体系。近年来, 出现了一些新颖的高层建筑结构体系。其中具有代表性的有束筒体系、巨型框架体系、脊骨体系等结构体系。

A.框架结构体系是由梁、柱构件通过节点连接构成不但承受竖向荷载, 也承受着水平荷载的结构体系 (多用于多层建筑) 。其优点是建筑平面布置灵活, 可以做成有较大空间及特殊用途的房间。必要时, 可用隔断分隔成小房间, 或拆除隔断改成大房间, 因而使用灵活。但由于高层框架侧向刚度较小, 结构顶点位移和层间相对位移较大, 使得非结构构件 (如填充墙、建筑装饰、管道设备等) 在地震时破坏较严重, 这是它的主要缺点, 也是限制框架高度的原因, 一般控制在10~15层。

B.力墙结构体系:剪力墙结构体系是利用建筑物墙体承受竖向与水平荷载, 并作为建筑物的围护及房间分隔构件的结构体系。

剪力墙也称抗震墙。它自身平面内的刚度大、强度高、整体性好, 在水平荷载作用下侧向变形小, 抗震性能较强。在国内外历次大地震中, 剪力墙结构体系表现出良好的抗震性能, 且震害较轻。因此, 剪力墙结构在实际中得到了广泛的应用。由于其良好的抗震性能, 所以在地震区15层以上的高层建筑中采用剪力墙是经济的, 在非地震区采用剪力墙建造建筑物的高度可达140m。剪力墙结构采用大模板或滑升模板等先进方法施工时, 施工速度很快, 可节省大量的砌筑填充墙等工作量。

剪力墙结构的墙间距不能太大, 平面布置不灵活, 难以满足公共建筑的使用要求;此外, 剪力墙结构的自重也比较大。为满足旅馆布置门厅、餐厅、会议室等大面积公共房间, 以及在住宅底层布置商店和公共设施的要求, 可将剪力墙结构底部一层或几层的部分剪力墙取消, 用框架来代替, 形成底部大空间剪力墙结构和大底盘、大空间剪力墙结构;标准层则可采用小开间或大开间结构。当把底层做成框架柱时, 成为框支剪力墙结构。这种结构体系, 由于底层柱的刚度小, 上部剪力墙的刚度大, 形成上下刚度突变, 在地震作用下底层柱会产生很大的内力及塑性变形, 致使结构破坏较重。因此, 在地震区不允许完全使用这种框支剪力墙结构, 而需设有部分落地剪力墙。

C.框架-剪力墙结构体系:它是在框架结构中布置一定数量的剪力墙所组成的结构体系。由于框架结构具有侧向刚度差, 水平荷载作用下的变形大, 抵抗水平荷载能力较低的缺点, 但又具有平面布置较灵活、可获得较大的空间、立面处理易于变化的优点;剪力墙结构则具有强度和刚度大, 水平位移小的优点与使用空间受到限制的缺点。将这两种体系结合起来, 相互取长补短, 可形成一种受力特性较好的结构体系-框架-剪力墙结构体系。剪力墙可以单片分散布置, 也可以集中布置。

框架-剪力墙结构体系在水平荷载作用下的主要特征:

c-1受力状态方面, 框架承受的水平剪力减少及沿高度方向比较均匀, 框架各层的梁、柱弯矩值降低, 沿高度方向各层梁、柱弯矩的差距减少, 在数值上趋于接近。

c-2变形状态方面, 单独的剪力墙在水平荷载作用下以弯曲变形为主, 位移曲线呈弯曲型;而单独的框架以剪切变形为主, 位移曲线呈剪切型;当两者处于同一体系, 通过楼板协同工作, 共同抵抗水平荷载, 框架-剪力墙结构体系的变形曲线一般呈弯剪型。

由于上述变形和受力特点, 框架-剪力墙结构的刚度和承载力较框架结构都有明显的提高, 在水平荷载作用下的层间变形减小, 因而减小了非结构构件的破坏。在我国, 无论在地震区还是非地震区的高层建筑中, 框架-剪力墙结构体系得到了广泛的应用。

D.筒体结构体系。筒体结构为空间受力体系。筒体的基本形式有三种:实腹筒、框筒及桁架筒。用剪力墙围成的筒体可称为实腹筒。如果筒体的四壁是由竖杆和斜杆形成的桁架组成, 则成为桁架筒;如果体系是由上述筒体单元所组成, 称为筒中筒或组合筒。通常由实腹筒来做内部核心筒, 框筒或桁架筒来做外筒。筒体最主要的受力特点是它的空间受力性能。无论哪一种筒体, 在水平力作用下都可以看成固定于基础上的箱形悬臂构件, 它比单片平面结构具有更大的承载力, 并具有很好的抗扭刚度。因此, 该种体系广泛应用于多功能、多用途, 层数较多的高层建筑中。

2 高层建筑结构类型及其特点

高层建筑采用的结构可分为钢筋混凝土结构、钢结构、钢-钢筋混凝土组合结构等类型。

A.混凝土结构具有造价较低、取材丰富、并可浇筑各种复杂断面形状, 而且强度高、刚度大、耐火性和延性良好, 结构布置灵活方便, 因此, 在高层建筑中得到广泛应用。

B.结构具有强度高、构件断面小、自重轻、延性及抗震性能好等优点;钢构件易于工厂加工, 施工方便, 能缩短现场施工工期。近年来, 随着高层建筑建造高度的增加, 以及我国钢产量的大幅度增加, 采用钢结构的高层建筑也不断增多。

C.钢和钢筋混凝土相结合的组合结构和混合结构在高层建筑中更为合理。这种结构可以使两种材料互相取长补短, 取得技术性能优良的效果。

组合结构是用钢材来加强钢筋混凝土构件的强度。钢材放在构件内部, 外部由钢筋混凝土做成, 成为钢骨混凝土构件, 也可在钢管内部填充混凝土, 做成外包钢构件, 成为钢管混凝土。前者可充分利用外包混凝土的刚度和耐火性能, 又可利用钢骨减小构件断面和改善抗震性能, 现在应用较为普遍。

结束语

高层钢结构建筑在国外已有很久的历史, 1883年最早一幢钢结构高层建筑在美国芝加哥拔地而起, 到了二次世界大战后由于地价的上涨和人口的迅速增长, 以及对高层建筑的结构体系的研究日趋完善、计算技术的发展和施工技术水平的不断提高, 使高层和超高层建筑迅猛发展。

结构是建筑的骨骼, 人有人的骨骼, 动物有动物的骨骼。大千世界千奇百怪的生命体, 很多都依赖骨骼承载着身体的重量。地球上生物的进化规律是, 越是高级的生物, 骨骼就越复杂, 而建筑也同样, 建筑的造型、空间等内容, 都依赖它的骨骼———结构承载。就如同不同的生命有着不同的骨骼一样, 不同的建筑也有着不同的结构。我们关注结构的时候, 首先关注它的可靠性, 此外还要关注它的形态, 可以说, 没有结构, 就没有造型, 也就没有空间。肯尼斯-弗兰普顿说:“建筑的根本在于建造, 在于建筑师应用材料并将之构筑成整体的创作过程和方法。建构应对建筑的结构和构造进行表现, 甚至直接的表现, 这才是符合建筑文化的。”

责任编辑:王亚芳

摘要：高层建筑中设计中的结构要素, 影响着整体的造型。当我们在结构力学允许的范围内, 调整梁、柱、墙的数量、比例、排列方式和截面形式等这些因素的时候, 看似枯燥的结构就展现出无比丰富的表现力随着建筑高度的增大, 水平荷载效应逐渐增大;在高层建筑结构中, 水平荷载和地震作用却起着决定性作用。因此, 在高层建筑结构设计时, 不仅要求结构具有足够的强度, 而且还要求有足够的刚度, 使结构在水平荷载作用下产生的位移限制在一定的范围内, 以保证建筑结构的正常使用和安全。