分析软件在计算高层建筑结构中的注意事项

2022-10-03

高层建筑是社会需求与经济繁荣和科技进步的产物。随着对高层建筑使用功能要求的日趋复杂, 高层建筑在数量日渐增多, 建筑高度的不断增加, 建筑类型与功能的愈来愈复杂, 结构体系的更加多样化, 高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。

1 高层建筑特点[1]

1.1 内核的形成

高层建筑与其它建筑之间的最大区别, 就在于它有一个垂直交通和管道设备集中在一起的、在结构体系中又起着重要作用的“核”。而这个“核”也恰恰在形态构成上举足轻重, 决定着高层建筑的空间构成模式。随着高层建筑建设的发展、高度的增加和技术的进步, 在高层建筑的设计过程中, 逐渐演化出了中央核心筒式的“内核”空间构成模式, 在建筑的中央部分, 有意识地利用那些功能较为固定的服务用房的围护结构, 形成中央核心筒, 而简体处于几何位置中心, 还可以使建筑的质量重心、刚度中心和型体核心三心重合, 更加有利于结构受力和抗震。这种“内核”空间构成模式, 经过长期的实践检验, 以其结构合理、使用方便和造价相对低廉的优势, 很快便成为高层建筑中最为流行的空间布局形式。

1.2 中庭空间的出现

70年代前后设计的建筑中都加入了一个十分华丽、气氛热烈的大中庭。这种中庭既起着统合空间流线的作用, 又是人们休闲交往的场所, 中庭中还设置喷泉叠水、种植各种植物, 可创造出一种激动人心的欢快氛围, 所以它一出现便深受人们的喜爱, 并很快风靡全球。80年代以后, 中庭空间开始应用于高层办公建筑。受高层旅馆的影响, 一些办公大楼为了追求气派和空间变化, 便在入口处附设一个中庭。而随着人们环境观念的增强, 以及各国政府对由于在办公楼内长时间从事VDT操作, 所引发的情绪紧张, 视觉疲劳和心理上的孤独感等“办公室综合症”的关注, 高层办公建筑内部空间的设计也越来越为人们所重视。提供自然化的休息空间和改善封闭的室内环境, 成为高层办公楼设计必须解决的重要问题。于是, 在高层办公建筑中插入一个或在不同区域插入数个封闭或开敞的中庭的设计手法开始出现。实际上, 核心筒的分散和分离, 中庭空间的介入, 已使高层建筑的空间构成模式彻底发生了变化。新一代的高层建筑空间组织更为灵活多样, 由于空间设计的侧重点已由追求经济效率向营造宽松舒适的生活环境转变, 所以许多新建的高层建筑都以“景观空间”的概念, 将共享空间与功能空间相结合, 把核分散向四周, 垂直交通采用玻璃电梯, 直接采光, 给人们以开敞明亮、将动线视觉化的空间感受。空间构成模式也由封闭的“积层式”, 变为上下贯通的“动态流动空间”。中庭空间的介入还使得楼层间的自然通风换气成为可能。中庭和空中庭园既有通风采光的作用, 又为建筑内部创造了丰富的景观, 给每一个角落都带来了绿色和阳光。大楼内的办公室都有可以开启的窗户, 气流从窗户及空中庭园进入, 在中庭形成对流自然通风, 明显地减轻了环境负荷。

1.3 底部空间的变化

早期的高层建筑多直接面对街道, 从街道进入门厅, 再由门厅进入电梯厅, 乘座电梯至各楼层, 这是高层建筑中最为普遍的空间流线组织方式。建筑空间与城市空间之间缺乏过渡, 没有“中间领域”的概念, 在人流集散的高峰期, 对城市交通环境的影响也较大。尽管许多高层建筑都在门厅的艺术处理上颇费心机, 设计得非常富丽壮观, 但是由于空间组织方面的缺陷, 门厅内往往留不住人, 形不成公共活动空间, 而入口处也常出现人流拥塞的现象。为了解决人流集散和城市交通与建筑内部交通相衔接的问题, 现在的高层建筑常常采用多个出入口和立体化组织交通流线的方法。通过首层、地下层和地上的架空廊道与不同层面的城市交通网络相连接, 以达到通畅便捷和步行、车行的互不干扰。总而言之, 当今高层建筑的底部空间设计, 已从单纯考虑建筑与周围环境之间的关系, 发展到进行整体的城市空间设计, 其交通组织和公共活动领域的创造也日趋立体化、开放化。随着近年来高层建筑的建设与城市开发的结合越来越为人们所重视, 超大规模的数幢高层建筑一体化建设的综合项目便再度悄然兴起。这类高层建筑设计的最大特色, 就是以一个公共活动中心将高层大楼的底部连结成一个整体。公共活动中心多为一个巨大的中庭或室内步行商业街, 它既是人们购物、休闲、交往的场所, 又有组织内部空间流线、连接各栋建筑的作用。同时, 它还是建筑空间与城市空间的结合部, 是机动车、轨道交通和步行系统与建筑多层次多重衔接的结点。这种按整个街区统筹考虑交通组织和公共活动空间的设计方法, 更进一步将城市公共空间“室内化”、“集约化”和“立体化”, 空间设计的重点也由建筑的外部转向内部, 并使高层建筑群的使用空间服务于城市, 预示了今后高层建筑设计的一种新的发展趋势。

2 高层结构设计注意事项[2]

2.1 水平荷载成为决定因素

一方面, 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的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。

2.2 轴向变形不容忽视

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, 从而会对连续粱弯矩产生影响, 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。

2.3 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, 水平荷载下结构的侧移变形迅速增大, 因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在一定限度之内[3]。

2.4 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, 特别需要在结构上采取恰当的措施, 来保证结构具有足够的延性。

3 结构计算与分析

在结构计算与分析阶段, 如何准确, 高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理, 是决定工程设计质量好坏的关键。目前比较通用的计算软件有:SATWE、TAT、TBSA或ETABS、SAP等。但对于软件所算结果需要注意的几个限值。

(1) 柱轴压比:《建筑抗震设计规范》第6.3.7条针对不同抗震等级的结构类型给出了不同要求。

(2) 刚度比:《建筑抗震设计规范》第3.4.2条规定, 当某层结构的侧向刚度小于相邻上一层的70%, 或小于相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%, 则该结构为竖向不规则。

(3) 楼层最小地震剪力系数 (剪重比) :《建筑抗震设计规范》第5.2.5条规定了不同烈度下楼层的最小地震剪力系数, 目的是为了控制楼层的最小地震剪力, 保证结构的安全。

(4) 位移比:《建筑抗震设计规范》第3.4.3条和《高规》第4.3.5条均有规定。

(5) 周期比:《高规》第4.3.5条规定:结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比, A级高度高层建筑不应大于0.9, B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。

4 结语

钢筋混凝土高层结构设计是一个长期、复杂的过程, 任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。在结构设计中, 结合建筑功能作合理的结构布置是保证结构安全和经济的关键, 因此运用计算机软件高层建筑要注意用结构的整体概念对计算结果作出正确的判断和调整这样才能使结构安全、经济、合理。

摘要：介绍了高层建筑结构设计特点以及计算机软件计算结果的注意事项, 指出对计算机的软件算得的结果应仔细检查, 不能盲目采用, 以确保结构的安全。

关键词：高层建筑,结构设计,软件计算