高层建筑结构设计及结构选型问题分析

1、高层建筑结构设计应注意的问题

1.1、注重选材

高层建筑结构设计是建立在选择高质量材料的基础之上的, 对材料进行选择时, 应当尽可能的选择质量轻、强度高的的材料, 高强质轻的材料可以减轻结构自重, 减小地震作用。高层钢筋混凝土结构宜采用高性能混凝土和高强钢筋;构件内力较大或抗震性能要求高时, 宜采用型钢混凝土、钢管混凝土;超高层建筑宜采用钢结构或混合结构。建筑围护结构和内隔墙宜采用各种轻质材料, 构造上应与主体结构可靠连接, 并应满足承载力、稳定和变形要求。

1.2、注重概念设计

“概念设计”是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想, 进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。概念设计的主要内容:根据建筑的使用功能, 房屋高度, 建设地点的抗震设防烈度、设计基本加速度、特征周期选择合理的结构形式;根据竖向荷载、风荷载、地震作用对不同结构体系的受力特点, 明确荷载的传递途径;根据结构在地震作用下的破坏机制和过程, 对结构的关键部位和薄弱部位进行加强;结构的整体性和规则性对建筑的抗震性能至关重要, 承载力和刚度在建筑平面内和竖向要均匀分布, 避免刚度突变和应力集中;要预估和控制各类结构塑性区出现的部位和范围, 采取相应的抗震加强措施, 将建筑设计成高延性、高耗能的结构;结构抗震要有多道防线, 防止建筑在罕遇地震作用下破坏和倒塌;围护墙和隔墙, 应估计其设置对结构抗震的不利影响, 避免不合理设置而导致主体结构的破坏。

1.3、注重结构计算分析

准确的结构计算分析是高层建筑承载安全和满足抗震性能的保证。控制结构的位移比不大于1.5, B级高层建筑、复杂高层建筑、混合结构高层建筑位移比不大于1.4, 限制结构平面的不规则性, 避免结构产生过大的扭转效应。控制结构的周期比不大于0.9, B级高层建筑、复杂高层、混合结构高层建筑不大于0.85, 限制结构的抗扭刚度不能太弱。控制高层建筑的楼层侧向刚度比、楼层受剪承载力比、限制结构的刚度突变、承载力突变, 控制地震灾害。控制结构水平位移, 保证建筑在多遇地震和风荷载作用下, 结构基本处于弹性工作状态, 围护结构和非结构构件基本完好。对于某些高度较高和特别复杂高层建筑, 要进行薄弱层弹塑性变形计算, 防止结构在罕遇地震作用下倒塌。

3、高层建筑结构选型分析

3.1、框架结构

由框架梁、柱、楼板等主要构件组成。其优点是柱网布置灵活, 能够获得较大的使用空间, 不足之处是侧向刚度较小, 在强烈地震作用下结构变形较大, 填充墙及附属构件破坏严重。适用于层数较低, 需要大空间的建筑, 如:商场、展览馆等。高层建筑不应采用单跨框架结构, 在高烈度区不宜采用纯框架结构, 在中低烈度区纯框架结构建筑高度不宜超过35米, 否则梁柱断面较大, 结构配筋较多, 不经济。设计中容易出现的问题是没有真正做到强柱弱梁设计, 在以往的震害中框架柱破坏严重, 需要引起广大结构设计者的重视。

3.2、剪力墙结构

剪力墙结构的优点是整体性好, 侧向刚度大, 水平力作用下侧移小, 由于没有梁柱等外露与突出, 便于房间内部布置, 在高层住宅建筑中广泛采用, 不足之处是建筑空间较小, 只能适用于住宅、宾馆、单身宿舍等小房间为主的建筑, 当建筑下部需要商场、车库等大空间时, 需要采用带转换层的框肢剪力墙结构。高层建筑不应采用全部为短肢剪力墙的结构, 由于短肢剪力墙抗震性能较差, 在高烈度区应限制和少用短肢剪力墙。剪力墙结构延性较差, 应注意剪力墙边缘构件的设计, 剪力墙结构可能的塑性铰区不是一层, 而是建筑底部数层的剪力墙底部加强部位, 剪力墙底部加强部位要采用约束边缘构件, 以提高剪力墙的延性。剪力墙连梁应具有较好耗能能力, 当连梁较高时, 宜采用双连梁设计, 当连梁的跨高比较大时, 应增加交叉斜筋、交叉暗撑, 保证连梁的强剪弱弯设计。设计中容易出现的问题是一个方向的剪力墙较少或基本都是短肢剪力墙, 而大部分的结构计算软件并不能识别这样的结构, 计算指标看起来合理, 实际有安全隐患, 需要引起广大结构设计者的重视。

3.3、框架-剪力墙结构

框架-剪力墙结构由框架和剪力墙两部分组成, 既能为建筑提供较大的使用空间, 又有较大的侧向刚度, 可应用于多种使用功能的高层建筑, 如:办公建筑、医疗建筑、酒店宾馆建筑等。剪力墙宜均匀对称地布置在建筑物的周边附近、楼电梯间、平面形状变化及凹凸加大的地方, 抗震设防地区结构两个主轴方向均应布置剪力墙。由于框架和剪力墙自身的侧向刚度差异很大, 变性特征也不相同, 需要考虑框架和剪力墙的协同工作。因为建筑功能的要求, 剪力墙的布置往往受到一定的限制, 剪力墙的多少, 直接决定在规定水平力作用下结构底部框架部分承担的倾覆力矩, 根据承担比例不同, 应按《高层建筑钢筋混凝土结构技术规程》采取不同的设计方法。

3.4、筒体结构

筒体结构主要分为框架核心筒结构和筒中筒结构。框架核心筒结构需要注意的问题是, 剪力墙筒体承担了绝大部分的地震剪力和倾覆力矩, 核心筒四角的剪力墙边缘构件要按规范进行构造加强, 同时为了保证结构的整体性和抗震的二道防线, 外框架周边必须设置框架梁, 外框架部分分配的楼层地震剪力不宜小于结构底部总剪力的10%。筒中筒结构的外筒是由密排柱和跨高比较小的群梁组成的框筒, 内筒是由剪力墙围成的实腹筒。在水平荷载作用下, 两者通过楼板协同工作。内筒以弯曲变形为主, 承担较大部分的水平剪力。外筒以剪切变形为主, 承担大部分竖向荷载, 承受50%以上的倾覆力矩, 承受25%以上的楼层剪力。筒中筒结构形式上与框架核心筒结构相似, 但受力性能相差很大, 适合于高宽比较大、高度更高的高层建筑。

摘要：随着城市建筑数量的不断增加, 土地资源利用量不断增大, 为了提高土地利用效率, 高层建筑逐渐兴起, 出现了多样化的建筑平面布置方式, 一定程度上也增加了建筑结构选型的难题和建筑后续设计的难度。加强高层建筑结构设计以及选型的研究, 成为建筑工程设计中的重点内容。

关键词：高层建筑,结构设计,结构选型,问题,措施