高层建筑结构设计心得 20页

高层建筑结构设计心得 高层建筑结构设计心得 1 从人类文明发展的迹象中可以得出，建筑就象人体一样，它是作为一个系统而存在的;其功能、 技术与艺术作为建筑的三要素是辩证统一的，是系统的整体的而非孤立的局部的。自古往而今来 人们就是在不断的利用新的材料创造着新的建筑结构形式。那么，作为人类社会进化的物质产物， 建筑与人类文明有着不可分割的联系，因此建筑被认为是社会文化的载体，其构造及细节更是记 录这些文化信息的语言词汇，表现出与整体相适应的独特文化魅力。 自原始社会巢穴居以及在北美的印第安人的帐篷屋的住屋形式，到奴隶社会中古代的埃及人 们利用石材建造神庙和陵墓等梁柱体系为主的结构形式，再到欧洲中世纪以教堂为主的神学统治 的社会的建筑类型，直到如今以先进科技技术为“构件系统”方式表现的现代数字化信息时代建 筑形式的迅猛发展。在现代比较经典的建筑作品中，不少也是新技术、新材料的使用产生的具有 实用美观和审美价值的建筑形式，并且从运用的材料、构造方式、纹案、色彩等方面可以让人们 获取与建筑相关的文化信息。就先拿采用玻璃墙的西柏林新国家美术馆来说，它是与帕提农神庙 等古典庙堂截然不同的是它所使用的材料是钢材而非石料，由此看出建筑以相似的形式给人却是 完全不同的审美感受。另外还有采用光电幕墙技术的英国利物浦基础物理研究院和德国哈姆尔城 市大厦就满足了恶劣天气对幕墙的所有要求，同时也满足了建筑本身的物理需求，比如阻燃、保 暖、隔热等性能，并且还可以把光能转换成电能。由此推测在某种建筑材料集中了多种功能，建 筑的结构形式也将发生相应的变化。与此同时，建筑本身的构造组成与细节特征在传递建筑文化 底蕴时起着重要作用，成为建筑不可或缺的重要部分。例如新德里的美国驻印度大使馆这座现代 建筑，它运用传统的美学法则，并利用现代的建筑金属材料和工业技术，对其外墙和柱廊的细部 构造加以精心处理，融合了东方和西方的建筑神韵，整座建筑表现出端庄典雅，轻盈，高贵，奕 奕生辉的形象，把印度文化和现代技术完美的结合在一起。另外再看波特兰大厦，它一直被称作 是蕴涵着比拟和隐喻的文化连续性的一座“隐喻的建筑”，既非现代又非复古主义的隐喻意义给 人们提供了或多或少的亲切感以及平缓、稳定的情绪，也体现出一种肯定社会发展的社会观念。 纵观近现代建筑产业的发展势头，随着建筑行业科技进步和技术创新能力的不断加强，以及建筑 节能工作不断深入，建筑结构体系的发展形式也多种多样。特别是节能与结构一体化不仅丰富了 建筑节能结构体系，还较好地解决了保温体系与建筑的同寿命问题，而且在抗震、安全等性能方 面也得到了加强。就如汶川地震灾民安置中，轻型钢结构房屋就发挥了很大作用，也为新型建筑 结构体系的广泛应用提出了新的要求。从这一角度出发就不难发现，现如今的建筑市场上新材料 层出不穷、新技术应用广泛，建筑构造水平也在不断发展和进步。可以说建筑构造的发展是一个 动态的过程，和相关专业的发展密不可分。如高分子防水卷材的出现，带来了防水构造的发展， 要完成这一构造就必须了解高分子防水卷材的材料性能，在特定气候条件下的受力特征，施工中 要采取的构造处理，任何没有考虑到的失误都有可能导致构造设计的失败。因此，及时正确掌握 构造理论知识在实际操作中的技术能力是在以后提高建筑构造水平的有坚实基础。进而使我国后 现代主义建筑思潮在建筑文化上表现出双重性，这不仅反映了现代建筑领域中新技术的时代性， 而且还反映了建筑本身的大众化、历史化、地方化等特征。 在人类社会文明发展的各个历史时期，结构技术影响了建筑发展的历史文化价值。运用在建 筑中的技术的发展与技术本身的发展并非同步的，而且在建筑中各类技术相互结合的程度也不同， 在对建筑的形式的决定作用中所占比例也不尽相同。目前，数字化技术正在向建筑领域渗透，建 筑形式所涉及到的技术内容将变得比以前任何一个时期更加丰富，更新的速度也更加迅速。就如 同最新的科学技术和最先进的生产力结合起来，这是建筑发展的大方向。当人们深刻认识到建筑 形式和文化的意义的时候，现代主义建筑强调建筑随时代而发展变化，现代建筑要同工业化社会 的条件与需要相适应，强调重视建筑物的实用功能，主张突出现代材料、结构的特质并发挥新建 筑的特点等等，这些新型的建筑观带给人一种强烈的时代感。但同时也能让人们看到，现代主义 建筑主张坚决抛开历史上的建筑风格和式样的束缚，按照今日的建筑逻辑灵活自由地进行创造性 的设计与创作。与此同时在建筑发展的趋势上，很多建筑行业人士决定抛开其积极的一面，这样 就使得现代主义建筑在社会发展的道路中产生了一系列的问题，许多人批评它割裂历史，过分的 重视技术而忽视人的情感需要，忽视了新建筑与原有环境文脉的联系，因而又产生了很多新的流 派和新的创作倾向。通过这样不断“割舍”又“获得”的改革创新思路，加上新时代建筑设计理 念和更完善的技术水平，使得建筑本身在各行业领域中具有重要的推动价值。 如今，建筑不光是人类社会文明的产物，还是人类物质生产活动的一个重要组成部分。其本 身其实就是一个供人们居住、工作、娱乐、社交等活动的环境，因此不仅内部各组成部分要考虑 配合与协调，而且要特别注意与周围大自然环境的协调。它的构造与形式可以反映出一个民族和 时代的文化内涵，也凝聚了广大劳动者的智慧和情感，积淀了深厚的历史发展文化和丰富的社会 及人文意识形态。它不仅具有多样性、丰富性、地区性的特征，而且还成为人们理解现代建筑的 物语，欣赏现代建筑的视角，同时也成为了我们评价现代化建筑的一个重要标准。 1H 型钢在各种工业建筑和民用结构中的应用 1.1 热轧 H 型钢在各种工业大型厂房建筑中的应用 根据资料显示，在用于建造工业厂房建筑时，在相同的规模和模式下同比采用铆接工艺相对 来说金属 10%，也比采用焊接工艺相对节约金属 3%，比采用铆接工艺可节约金属 10%。H 型钢 具有结构自重轻、截面模数相对大的优势，广泛应用于火力发电站重型锅炉的承重结构的断面最 理想的型钢。在日本，26.5 万 kW 以上的火力发电站，多采用 H 型钢作承重骨架。我国山东石横 电厂钢结构厂房 H 型钢用量占总用钢量的 70%。我厂附近在建的漳三电厂和王曲电厂也都采用 H 型钢制作锅炉的承重骨架。石油精炼厂及石油化工厂中的厂房结构等，也多采用 H 型钢冶金工厂 的厂房也大多采用 H 型钢。炼钢厂厂房、轧钢主跨厂房等多采用 400x400 系列柱型 H 型钢，也 有相当数量采用高 600~1000mm 的 H 型钢。如宝钢一期炼钢厂房，H 型钢的用量占总用钢量的 50%以上。在我公司的第二条生产主线的建设中，转炉车间厂房和 H 型钢厂房建设中也将大量采 用 H 型钢。这些 H 型钢主要用在：1 跨度大于 6 米的檩条一般采用高 100~300mm 的 HM(中翼 缘和 HN(窄翼缘 H 型钢;2 梁一般采用高 300~900mm 的 HN(窄翼缘 H 型钢;另外 H 型钢可用作 20 吨以下的行车的吊车梁;3 主厂房柱可采用两根高 300~900mm 的 HM(中翼缘和 HW(宽翼缘 H 型钢组合成格构式柱，荷载相对小的抗风柱、墙皮柱可直接选用高 200~500mmH 型钢。 1.2H 型钢在地下安全支护和构架支撑工程中的应用 H 型钢被广泛使用，在与其截面的安全性和经济优势，建设地下工程，如地下铁路，矿山巷 井，海底隧道的建设。在日本新干线铁路和名古屋-神户之间的公路隧道施工使用 H 型钢为防止土 体坍塌的墙。使用 H 型钢在地下铁路的建设，可以减少水泥墙厚度，并改善地下开采进度，特别 是地质构造复杂，大量的建筑，但也显示出 H 型钢，安全，可靠，易于更换的优势。 1.3H 型钢在桥梁工程中的应用 城市高架多层公路及其桥梁、公路和高速公路及铁路桥梁工程大量使用 H 型钢。大跨度桁架 式钢桥，其桁架的杆件及桥面系梁与支撑也常采用 H 型钢作为基本构件，但由于其杆件多要求更 宽的翼缘，因而在应用轧制系列的 H 型钢方面受到一定的限制。 2 热轧 H 型钢在民用建筑中的应用 在 H 型钢用于各种工业建筑的同时，它也被用于高层、多层及别墅等民用建筑中。 2.1H 型钢在多高层及高层建筑中的应用 在多高层建筑的钢结构，H 型钢型材占有不可替代的地位在高层建筑结构采用钢筋混凝土结 构，钢-混凝土组合结构和钢的结构，包括三种类型，这些类型的结构都具有应用 H 型钢的可能性。 这些高层建筑地基多采用 H 型钢或钢管作桩，打入地下几十米深。其底部结构可由 H 型钢外包钢 筋混凝土而形成的型钢混凝土结构。其上部结构多采用由轻型 H 型钢柱或蜂窝 H 型钢梁组成的钢 结构或钢筋混凝土组合结构。近年来随着经济的飞速发展，我国各地相继建成许多高层建筑。 2.2H 型钢在多层建筑中的应用 由于钢材是一种环保型建筑材料以及钢结构建筑具有技术含量高、生产效率高的特点，因此 随着经济的发展钢结构建筑在多层民用建筑中的竞争优势更加明显。在国外由 H 型钢建成的多层 民用住宅、多层写字楼等早已不鲜见。国内由马鞍山钢铁公司生产的 H 型钢建成、由马鞍山钢铁 设计院设计的 H 型钢示范工程———马钢光明小区也已建成，并取得良好的性能价格比。近年来， 随着我国 H 型钢产量的不断增加及其市场的不断推广，在各地已有大量的 H 型钢用于多层建筑中。 3 热轧 H 型钢的应用问题 目前，中国已经建成了一批万能轧机生产线，已经初步具有了中小型 H 型钢系列的生产能力， 但在其应用中存在以下问题：1 一般设计师在对热轧 H 型钢的性能特性的知识不足情况下，习惯 于使用传统的普通钢。H 型钢，而不是 I 型梁在使用中，因此，H 型钢主要规格范围，规范和更具 有优势并未被利用，但不能反映 H 型钢弯曲性能和节约钢材这一重要功能。2 在我国钢材销售方 式还是采用的传统的销售方式与 H 型钢的多规格之间存在矛盾。H 型钢的品种规格多是 H 型钢的 一个突出特点同时也是其优点所在。由于全世界各地 H 型钢标准以及规格的标准多达达一、二百 个，在中国热轧 H 型钢国家标准(GB/T11263-1998 中的规格为 74 个，其数量是其它型钢的几倍、 十几倍。在我国的结构设计中在使用中，工程使用的型钢数量一般几个、更多在几十个规格标准 中搭配使用。所以，工程中涉及到的型钢的规格具体的订货量都相对很小，有时甚至几吨有时甚 至更少都是有可能发生的现象。但是，H 型钢的生产是现代化的大规模的生产，H 型钢的生产规 模和生产成本计划都应达到一定的数量标准才进行组织和相对集中生产，所以对于订货数量少的 和规格数量少的就和生产 H 型钢的部门存在相当大的矛盾。因此在借鉴发达国家销售经验的同时 应找出一条适合 H 型钢的销售方法。 本文作者:李玉工作单位:山西首钢国际工程技术有限公司 高层建筑结构设计心得 2 一、复杂高层建筑结构体系的发展历程 由于人们对建筑要求的不断提高，不仅需要建筑群满足人们对多功能、多用途的需求，还要 在建筑的造型上进行不断地创新，这不仅仅提高了对建筑群结构的难度，同时建筑群还出现了不 规则的结构体系，这些都促使建筑结构工程师要不断的研发出更多的技术来客服建筑过程中的难 题。从而使复杂的高层建筑结构体系能够完全契合建筑工程师的创新思维。高层建筑的结构体系 有很多，现就集中常见的体系进行分析。 1.对连体结构的分析 把两栋或者两栋以上的高层建筑群通过架空连接体进行有效的连接，这种方式就叫作连体结 构，这种结构主要用于满足人们对于建筑群多功能、多造型的需求。连体结构的跨度大都是由几 米到几十米不等;另外，连接体与高层建筑的主体结构的连接部分通常是刚性连接，部分架空廊和 高层建筑主体之间的连接可以使滑动式的连接。 2.对带转换层结构的分析 转换层这一结构主要是为了满足建筑物的多功能需求，将建筑物依据用途及功能的不同按照 空间高度划分为若干个区域，这样结构不能通过竖向构件进行上下的贯通，必须通过使用转换构 件才能实现竖向构件的上下互通。 3.对带加强层结构的分析 在高层建筑中，特别是对于框架核心筒的结构中，为了加强核心筒和外部框架之间进行有效 的联系，具体来说就是为了使结构在地震等其他重力下减小侧向变形，必须要顺着建筑群的高度 方向设立一个或者几个加强层，来满足侧移的设计需求。 4.对平面不规则结构的分析 高层建筑中的平面不规则结构大致可以分为三类：一是建筑物的抗侧力结构的布置不规则、 不合理;二是平面的形状设计不规则;三是楼盖的连接部位过于薄弱。这种类型的结构体系主要是因 为平面设计的不规则致使建筑结构的质量中心与刚度中心严重不重合，这就会使房屋在水平压力 下发生变形和扭转，从而致使部分结构变成薄弱的部位。 二、对带加强层高层建筑结构的概述 1.加强层的涵义 加强层主要是指在高层建筑群中，为了更好地加强建筑的核心结构域外部结构之间的联系， 加大建筑结构整体刚度、避免或者减少在水平负重以及地震下建筑结构发生严重的侧向变形，因 此，沿着建筑物的高度方向的一层或者多层设置加强层，对楼层进行刚度比较大的水平构件的设 置。 2.加强层结构的主要类型 在建筑物的加强层中，刚度性能较大的水平构件的主要类型包括梁式和桁架式两种结构类型。 梁式加强层的类型主要有两种：一是开孔梁结构类型;二是实腹梁结构类型。桁架式的结构类型也 主要有两大部分：一是斜腹杆桁架式类型;二是空腹式桁架类型。 三、浅析斜腹杆桁架加强层在高层建筑结构中的运用 在建筑施工过程中，通过对斜腹杆桁架加强层位置、数量的改变，进而对建筑物的结构侧移、 内力的分布产生一定的影响，这样就可以更好的发挥加强层的功能和作用。 1.斜腹杆桁架加强层对结构侧移的影响 (1)从设立一道水平的加强层对结构侧移造成的影响分析，可以得出这样的结论，要想实现对 结构的最大侧移控制，加强层的设置值需要在 H/2～2H/3 这个范围之内;但是如果在考虑对结构进 行最大侧移控制的同时还要对建筑结构的层间位移进行综合考虑的话，那么这道加强层最好设置 在建筑结构的中部，这样才能实现最优目标。(2)通过分析改变水平加强层的数量来查看其对结构 侧移的影响，可以得出这样的结论：首先，从设置的效果来分析，设立一道或者两道水平加强层 可以实现侧移效果最小的目标，如果再持续增加水平加强层的数量的话，那么结构侧移的减小就 会不成比例，无法实现结构侧移最小化目标;其次，从建筑材料及经济的使用率来分析，最为经济 的设置方法是设立一道或者两道水平加强层，这样的设置方式，可以有效的避免资金及物资的浪 费，节约资本。由此可知，加强层数量并非越多越好，而是以三道为最高限额。 2.斜腹杆桁架加强层对结构内力分布的主要影响 (1)由于在建筑物中设置加强层有可能会引起结构刚度的变化，而这种变化一定会以结构内力 突变的形式进行表现，这样就会致使建筑结构在遇到地震的时候，加强层部位及其附近比较容易 受到破坏，形成建筑群的薄弱部位。(2)在建筑群中设立斜腹杆桁架加强层后，边柱的剪力会在上 下层记忆建筑加强层处发出尤为突出的变化，这样就会造成剪力在顺着建筑物高度方向的分布变 的不规则、不均匀，从而会严重影响边中柱的抗震效果。因此，就需要在设计的过程中加强上下 两层柱子以及加强层处的抗剪水平，同时还要注意从整体上进行全面的分析设计，这样就可以采 取强有力的措施进行有效的控制。(3)设置斜腹杆桁架加强层后，边柱的轴力会大大增加，而不设 置加强层，边柱的轴力会逐渐的变小。因此，设计每一个加强层的方案时，加强层处的抽离都会 突然变小，然后随之不断变小，这样就形成了以斜腹杆桁架加强层处为核心的阶梯型的变化。(4) 的墙底部的弯度会不断地变大，因此，如果要想有效的减少筒体墙的弯度，必须在设置加强层的 时候选择最靠近建筑结构底部的设计方案，这样就能有效的发挥加强层的作用。 3.斜腹杆桁架加强层的形式对建筑结构工作性能的影响 布置形式的不同造成斜腹杆桁架伸臂主要分为三种形式：一是交叉支撑形式;二是人字支撑形 式;三是混合支撑形式。三种伸臂形式的不同，必然会给建筑结构的整体工作带来不同的影响。通 过分析可知，再能实现对结构整体侧移进行有效控制的同时，又能有效的减少斜腹杆桁架加强层 处的应力集中，进而可以避免建筑结构中薄弱部位的出现，想要实现上述功能，应该首选人字形 的桁架形式。 4.斜腹杆桁架加强层对高层建筑结构在刚度上的优化 为了有效的提高建筑结构的抗侧刚度，在那些高层建筑群以及超高层的建筑群中应该应用水 平加强层来实现建筑结构对于抗震的需求，但是，并非是加强层的刚度越大就能发挥更好地效果。 而是根据斜腹杆桁架伸臂和内筒的线，保持二者的刚度比值在 0.58～2 之间。这样，才能实现刚 度上的优化。 四、结语 总而言之，在建筑的实际工作中，在对斜腹杆桁架加强层进行方案设计的过程中，要全面的 对加强层的位置、数量以及内筒与加强层刚度的比值进行综合的考虑，从而使加强层在建筑结构 中达到一个最经济、最合理的设置，发挥其最好的功效。 本文作者:郭占峰工作单位:河南省城乡建筑设计院有限公司 高层建筑结构设计心得 3 1 高层建筑结构受力性能 高层建筑的抗水平力构件应沿房屋周边布置，也可提供较大的抗倾覆力矩。 2 高层建筑结构设计中抗震概念设计的重要性 2.1 高层建筑设计尤其是在高层建筑抗震设计中，应当非常重视概念设计 这是因为高层建筑结构的复杂性，发生地震时的不确定性，人们对地震时结构响应认识的局 限性与模糊性，高层结构计算尤其是抗震分析计算的精确性，材料性能与施工安装时的变异性以 及其他不可预测的因素，致使设计计算结果(尤其是经过实用简化后的计算结果)可能和实际相差较 大，甚至有些作用效应至今尚无法定量计算出来。因此在设计中，虽然分析计算是必须的，也是 设计的重要依据，但往往不能满足结构安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标。 2.2 重视概念设计 从某种意义上讲，概念设计甚至比计算更为重要[3]。概念设计是通过无数的事故分析，历年 国内外震害分析，模糊试验的定量定性分析以及长期以来国内外的设计与使用经验分析、归纳、 总结出来的。而这些原则、规定与方法往往是基础性、整体性、全局性和关键性的。有些概念设 计的要求，为整个设计设置了两道防线，保证了建筑物的安全、可靠。合理的结构方案是安全可 靠的优秀设计的基本保证。汶川特大地震发生后，通过对震后建筑进行分析与研究，发现结构布 置方案合理、符合概念设计要求的建筑物的破坏形式都是比较理想的，这给我们结构设计人员很 大的启示和鼓舞。今后结构设计中充分利用概念设计确定结构方案，并采取相应的抗震构造措施， 还是能大大降低地震对建筑物的损坏程度的。 3 改善短柱抗震性能的措施 当按剪跨比λ判定柱子不是短柱时，按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可;确定为短柱 后，就应当尽量提高短柱的承载力，减小短柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性， 改善短柱的抗震性能。 3.1 使用复合螺旋箍筋 高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的，柱端的抗弯承载 力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱，只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求， 是能够做到使其不发生剪切型破坏的。因此，使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力，改善 对混凝土的约束作用，能够达到改善短柱抗震性能的目的。 3.2 采用分体柱 由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪坏而失效，其抗弯 强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度， 这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。人为削弱抗弯强 度的方法，可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为 2 或 4 个柱肢组成的分体柱，分体柱的各柱肢分开 配筋。在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键，以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一 般，连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素混凝土连接键等形式。 3.3 采用钢骨混凝土柱 与钢结构相比，钢骨混凝土柱的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，提高柱的整体刚度， 显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥。采用钢骨混凝土结构，一般 可比钢结构节约钢材达 50%以上。此外，外包混凝土增加了结构的耐久性和耐火性。与钢筋混凝 土结构相比，由于配置了钢骨，使柱子的承载力大大提高，从而有效地减小柱截面尺寸;钢骨翼缘 与箍筋对混凝土有很好的约束作用，混凝土的延性得到提高，加上钢骨本身良好的塑性，使柱子 具有良好的延性及耗能能力。 3.4 采用钢管混凝土柱 钢管混凝土是由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍混凝土的一种特 殊形式。由于钢管内的混凝土受到钢管的侧向约束，使得混凝土处于 3 向受压状态，从而使混凝 土的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，混凝土特别是高强混凝土的延性得到显著改善。同 时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在 90%以下，这相当于配筋 率至少都在 4.6%以上，这远远超过抗震规范对钢筋混凝土柱所要求的最小配筋率限值。由于钢管 混凝土的抗压强度和变形能力特佳，即使在高轴压比条件下，仍可形成在受压区发展塑性变形的 “压铰”，不存在受压区先破坏的问题，也不存在像钢柱那样的受压翼缘屈曲失稳的问题。因此， 从保证控制截面的转动能力而言，无需限定轴压比限值。 本文作者:李生勇工作单位:内蒙古河套学院土木工程系 高层建筑结构设计心得 4 高层建筑结构设计心得 5 一、概况 在我国高层建筑发展的早期阶段，所设计建造的高层建筑大都为单一用途，例如高层住宅、 高层旅馆、高层办公楼等。近年来高层建筑发展迅速，建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向 发展，因而相应的结构形式也复杂多样。并且开始大量兴建集吃、住、办公、购物、停车等为一 体的多功能综合性高层建筑，尤其是在城市主干道两侧，已成为现代高层建筑的一大趋势。 二、高层及超高层结构体系 对于高层及超高层建筑的划分，相关规范没有一个统一规定，一般认为建筑总高度超过 24m 为高层建筑，建筑总高度超过 60m 为超高层建筑。 对于结构设计来讲，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈 度以经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系，一般分为六大类：框架结构体 系、剪力墙结构体系、框架―剪力墙结构体系、框―筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系。 三、结合工程实际对一些技术问题的处理 (1). 高层剪力墙中连梁的计算和处理 在剪力墙结构和框架―剪力墙结构中 ,连接墙肢与墙肢 ,墙肢与框架柱的梁称为连梁。连梁一 般具有跨度小、截面大 ,与连梁相连的墙体刚度又很大等特点。一般在风荷载和地震荷载的作用 下 ,连梁的内力往往很大。在设计时 ,即使采取降低连梁内力的各种措施仍难使连梁的设计符合要 求。基于这种情况 ,下面将提供连梁设计的几个建议。 1 连梁的工作和破坏机理 在风荷载和地震荷载作用下 ,墙肢产生弯曲变形 ,使连梁产生转角 ,从而使连梁产生内力。同 时连梁端部的弯矩、剪力和轴力又反过来减少了墙肢的内力和变形 ,对墙肢起到了一定的约束作 用 ,改善了墙肢的受力状态。连梁在发生延性破坏时 ,梁端会出现垂直裂缝 ,受拉区会出现微裂 缝 ,在地震作用下会出现交叉裂缝 ,并形成塑性绞 ,结构刚度降低 ,变形加大 ,从而吸收大量的地 震能量 ,同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力 ,对墙肢起到一定的约束作用 ,使剪力墙保持足 够的刚度和强度。在这一过程中 ,连梁起到了一种耗能的作用 ,对减少墙肢内力 ,延缓墙肢屈服有 着重要的作用。但在地震反复作用下 ,连梁的裂缝会不断发展、加宽 ,直到混凝土受压破坏。 2 设计的建议 在实际工程中要使连梁设计满足强剪弱弯的原则就必须考虑以下几个方面 : 2.1 关于连梁刚度的折减。 连梁由于跨高比小 ,与之相连的墙肢刚度大等原因 ,在水平力作用下的内力往往很大 ,连梁屈 服时表现为梁端出现裂缝 ,刚度减弱 ,内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时 ,就需对连梁 刚度进行折减。根据《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》第 4 1 7 条规定 :“在内力与位 移计算中 ,所有构件均可采用弹性刚度 ,在框架―剪力墙结构中 ,连梁的刚度可予以折减 ,折减系数 不应小于 0.55。” 一般在实际设计中我们在 0.55― 1 之间取值 ,以符合截面设计的要求. 2.2 加连梁跨度减少高度。 在连梁设计中 ,刚度折减后 ,仍可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的 情况 ,这时可以增加洞口的宽度 ,以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度 ,也就减少了地震作用 的影响 ,使连梁的承载力有可能不超限。如果只是部分连梁超筋或超限 ,则可采取调整连梁内力来 解决。调整的幅度不宜大于 2 0 %,且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。 2.3 增加剪力墙厚度。 亦即增加连梁的截面宽度 ,其结果一方面由于结构整体刚度加大 ,地震作用产生的内力增加 , 另一方面连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比。由于该片墙厚增加以后 ,地震所产生的内力并不 按墙厚增加的比例分配给该片剪力墙 ,而是小于这个比例 ,因此有可能使连梁的受剪承载力不超 限。 2.4 提高混凝土等级。 混凝土等级提高后 ,结构的地震作用影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例 , 有可能使连梁的受剪承载力不超限。 2.5 地震区高层建筑的剪力墙连梁 ,在进行了上述调整后 ,仍有部分不符合承载力要求时 ,可 取连梁截面的最大剪压比限值确定剪力。然后按“强剪弱弯”的要求 ,配置相应的纵向钢筋。此时 , 如果不能保证连梁在大震时的延性要求 ,应重新计算整个结构 ,必要时调整结构布置 ,使连梁的承 载力符合要求。 (2)剪力墙设计的一些要点 1.A 级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度： 全部落地剪力墙――非抗震、6 度、7 度、8 度、9 度抗震时，分别为 150、140、120、100、 60m。部分框支剪力墙――非抗震、6 度、7 度、8 度抗震时，分别为 130、120、100、80m，9 度抗震时不宜采用 2.A 级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度： 6 度、7 度、8 度抗震时，将本地区设防烈度提高一级后，按乙类、丙类建筑 用，9 度抗震时，应专门研究 3.B 级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度： 全部落地剪力墙――非抗震、6 度、7 度、8 度抗震时，分别为 180、170、150、130m;部分 框支剪力墙――非抗震、6 度、7 度、8 度抗震时，分别为 150、140、120、100m 4.B 级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度： 6 度、7 度抗震时，按本地区设防烈度提高一级后，按乙类、丙类建筑采用 8 度抗震时，应 专门研究 5.结构的最大高宽比： A 级――非抗震、6 度、7 度、8 度、9 度抗震时，分别为 6、6、6、5、4 B 级――非抗震、6 度、7 度、8 度抗震时，分别为 8、7、7、6 6. 质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响;其他 情况，应计算单向水平地震作用的扭转影响 7.考虑非承重墙的刚度影响，结构自振周期折减系数取值 0.9～1.0 8.平面规则检查，需注意： 扭转不规则，凹凸不规则和楼板局部不连续 9.竖向规则检查，需注意： 侧向刚度不规则，竖向抗侧力构件不连续，楼层承载力突变。 10.水平位移验算： 多遇地震作用下的最大层间位移角 ≤罕遇地震作用下的薄弱层层间弹塑性位移角 ≤ 1/120 11.舒适度要求： 高度超过 150m 的高层建筑，按 10 年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点的 最大加速度限值为：住宅、公寓 0.15 m/s2，办公、旅馆 0.25 m/s2 12. 伸缩缝 a. 最大间距：现浇 45m，装配 65m b. 可适当放宽最大间距的条件： ① 顶层、底层、山墙和纵墙端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率 ② 顶层加强保温隔热措施，外墙设置外保温层 ③ 每隔 30～40m 留出后浇带，带宽 800～1000mm，钢筋采用搭接接头，后浇带砼两个月 之后浇灌 ④ 顶部楼层改用刚度较小的结构形式，或顶部设局部温度缝，将结构划分为长度较短的区段 ⑤ 采用收缩较小的水泥，减少水泥用量，砼中加入适宜的外加剂 ⑥ 提高每层楼板的构造配筋率，或采用部分预应力混凝土 13.防震缝 a. 最小宽度：按框架结构的 50%取用，但不宜小于 70mm. 框架结构防震缝最小宽度规定为：高度≤15m 的部分，70mm;超过 15m 的部分，6 度、7 度、8 度、9 度相应每增加高度 5m、4m、3m、2m，缝宽加宽 20mm b. 缝两侧结构体系不同时，按不利情况确定,缝两侧房屋高度不同时，按较低房屋高度确定 c. 缝沿房屋全高设置，地下室和基础可不设，但在与上部防震缝对应处应加强构造和连接 d. 相邻结构基础存在较大沉降差时，宜加宽防震缝 14.截面设计 a 构件截面长边与短边之比大于 4 时，宜按墙的要求进行设计(《砼规》10.5.1) b 矩形截面独立墙肢的长度与厚度之比不宜小于 5，当其比值小于 5 时―其在重力荷载代表值 作用下的轴压比限值，当一、二级抗震时，应较正常墙肢的相应值减 0.1，三级抗震时为 0.6，当 其比值不大于 3 时――宜按框架柱进行设计，但纵向钢筋的最小配筋率不变，且箍筋宜沿全高加密 c 双肢剪力墙的抗震设计中，墙肢不宜出现小偏拉，当任一墙肢出现大偏拉时，两墙肢均应 将弯矩设计值和剪力设计值乘以 1.25 的增大系数 (说明：剪力墙墙肢不同受力状态的延性优劣― 小偏拉 < 大偏拉 < 小偏压 < 大偏压) d 剪力墙截面设计的内容：平面内的斜截面受剪、偏压或偏拉、平面外轴心受压 e 在集中荷载作用下，墙内宜设置暗柱，并注明暗柱纵筋的连接方式，无暗柱时应进行局部 受压承载力验算 f 一级抗震时，墙体的水平施工缝处宜进行抗滑移验算 四 小结与展望 本文通过具体的工程设计经验，在对连梁，剪力墙的设计过程中应注意的问题并结合设计规 范给出了自己的看法和见解并提出了一些处理措施。 我国的高层自改革开放以来已有 20 年的历史，并在设计和施工中积累了不少经验，随着经济 技术的进一步发展，高层的形式和种类都将有更多形式的出现，对设计技术的要求也必将更加精 细。 高层建筑结构设计心得 5 1 建筑结构设计的基本原则 要想保证建筑结构设计达到规范规定的标准，就必须遵循一定的原则，加强建筑结构的使用 维护、施工及设计。其原则需求主要表现在:(1)安全性。在设计的合理的使用年限以内建筑的结构 应该可以承担各种可能发生的突发情况。而且在发生了偶然事件以后，建筑物的结构必须要保持 一定的稳定特性。(2)耐久性。在设计的可以使用的年限以内，建筑的结构应该具有一定的耐久性。 (3)适用性。在建筑物能够合理使用的年限以内，建筑结构的设计应该可以满足使用的要求，具有 较好的抗振、抗裂缝及抗变形的性能。 2 建筑结构设计的基本特征 在低层建筑结构中，水平荷载所引发的位移与内力很小，因此可忽略不计。在高层建筑结构 中，水平荷载的位移与内力是慢慢增加的，侧向力是影响整个结构内力与建筑物土建造价以及结 构变形的唯一因素。在所有的高层建筑中，地震力与水平荷载成了最关键的控制因素，结构一定 要具有适宜的刚度。随着建筑高度的不断增加，建筑的侧向位移也会随之而增加，所以设计高层 建筑的过程中，不但要结构上有着足够大的强度，同时结构上还要有具体的刚度，让结构有个合 理的自振频率，使水平力的作用层位移具体控制在一个范围内。此外，结构还要有一个良好的廷 性。相对一些较低的楼房来说，高层建筑的结构会更加柔和一点，在实际地震作用下其变形就会 更大一点。其实影响建筑结构的耐震性的主要因素是结构的变形能力和承载力，所以为了让结构 进入塑性的变形阶段之后还能有着较强的实际变形能力，预防高层建筑在一些大地震中倒塌，必 须注意结构的变形能力和承载力。 3 建筑结构设计中的注意事项 3.1 结构体系问题 结构体系的选择是高层建筑钢筋混凝土设计的重点之一，在一些地基基础比较稳固的地方， 在上部结构能够满足变形限值的前提下，考虑到建筑的外观问题，可以尽量减小刚度。规范中确 定转换层上下刚度比的公式宜改为控制上下层转角的比值在 1 左右较为合理。规范中顶点位移和 层间位移限值不尽合理，可以通过采取措施来解决这些限值。水平加强层在增加侧向刚度的同时， 会使外柱的剪力有较大增加，应慎重设计。 3.2 结构超高问题 在抗震规范中，建筑物的高度控制是非常严格的，而在新规范中这一点重新进行了界定，除 了将原来的限制高度设定为 A 级高度的建筑外，增加了 B 级高度的建筑。因此，所以在进行设计 的时候一定不可以超越其应属范围，B 级建筑物就应该控制在 B 级规定范围之内，一旦超过了， 那么无论是设计还是施工都要全部进行重新设定。在现实情况中这类问题曾经出现过，结果导致 审查时难以通过。 3.3 短肢剪力墙设置问题 短肢剪力墙的使用虽然具有一定的的作用，但是在使用数量上一定要严格参照规范，不可设 置过多。而且，在抗震达到要求的情况下，结构工程师应尽量少采用这种结构，尽量减少后面处 理的麻烦。 3.4 建筑结构概念设计问题 建筑不同于普通商品，尤其是高层建筑。很多因为是地理标志性建筑，所以往往都是有一定 个性的，千篇一律的建筑会给人带来枯燥的审美观。在概念设计上，我们应该多选择一些新颖的 建筑样式，同时又要注意其抗震设计、抗风设计等基础要素。但是建筑也不能盲目的标新立异， 结构上应该选择规则性强一些的。不论是平面或者立体都应该尽量遵循这个原则。 4 建筑结构设计要点与措施 4.1 结合工程实际进行设计 建筑结构设计中，要结合工程具体情况，兼顾各专业的设计要求，做到安全适用、经济全理、 技术先进和确保质量。所选用的建筑方案在结构上要保证可行性，要保证结构方案在整体上是安 全适用、经济合理的。如果结构方案在整体上存在缺陷应及时告之建筑专业并配合调整建筑方案。 同时，为了满足建筑的一些特殊功能要求，在不影响结构整体方案的前提下，对一些局部部位构 件，结构应采取可靠措施尽量实现这些特殊功能要求。如在层高受到限制而使用净高又不能降低 致使结构必须采取造价相对较高的宽扁梁或无梁楼盖方案时，在结构方案不能同时兼顾建筑立面 效果内部使用功能(比如房内露梁现柱)等情况下，结构设计人员应及时知之相关专业设计人员，解 释说明每个方案的利与弊，在各方协商一致后找到最佳的综合解决办法。 4.2 提高建筑结构抗震功能 建筑结构抗震功能设计是确保建筑物安全性的关键之一。在进行工程图纸设计时，房屋的结 构按照其抗震的设防进行分类，其中房屋抗震的等级可以依据房屋结构类型、烈度和高度等按照 抗震规范来确定。高层房屋结构的层数多或者房屋结构的刚度突变系数较大的话，其振型数则应 该多取。例如房屋结构中含有多塔结构、顶部有小塔楼、转换层等，其振型数应尽量取大于等于 12 的数，但是它的大小依然不可以大于房屋总共层数的 3 倍。除了含有弹性的楼板，而且在进行 总刚的分析时，它的振型数才可以取的更大些。 4.3 加强建筑构造周期性折减系数设计 注重建筑结构安全性设计，在框架结构与顶盖结构设计中，填充墙会直接使结构的实际刚度 大于设计时的刚度，所以这就会导致计算周期远远大于结构的实际周期。因此，计算出的结构剪 力比较小时，这就会使房屋建筑的结构不安全，所以要把建筑物的结构计算周期进行适当的折减， 只有这样建筑的效果才能有所改善。在框架结构中，当采用砌体来填充墙体时，折减系数在计算 周期时取 0.6～0.7;当采用轻质的砌块或者墙体少时，折减系数在计算周期时取 0.7～0.8;当采用轻 质的墙板时，折减系数在计算周期时取 0.9。除了没有墙的框架结构，其余都要进行适量的折减。 5 结束语 综合上述，结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，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。因此，结构设计人员在进 行建筑物结构的设计过程中，必须做到有理有据、认真谨慎、多方面考虑以及保证结构模型的准 确无误。并且在保证结构安全的前提下，尽可能做到最合理、最经济和最优化。 本文作者:吴庆工作单位:芜湖市华润规划建筑设计有限责任公司