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浅谈高层建筑结构设计与计算
作者：张景杰 安 然 王 申
来源：《现代企业文化·理论版》2010年第05期
摘要:高层建筑承担着城市高级偶像的作用,它是城市规划宏观把握中必不可少的参照,也是一座城市的文化与美学的体现。随着建筑高度的增加以及风格的日益多样,高层建筑结构的设计和计算也面临更多挑战,文章对此进行了探讨。 关键词:高层建筑;结构设计;结构计算
随着建设用地的日趋紧张,加之轻质高强材料的开发和设计,计算理论的完善,特别是结构分析手段不断提高,使得高层建筑如雨后春笋般日益增多。建筑高度不断增加,建筑风格日益多样,对高层结构设计提出了新的挑战。本文主要就高层建筑的结构设计与计算进行探讨。
一、高层建筑设计的基本要求
如何正确进行结构设计和结构计算,以满足新规范的要求,是每个结构设计人员都必须面对的问题。要做好一个高层建筑的结构设计首先应满足以下基本要求:
必须要有规则的结构。高层建筑不应采用严重不规则的结构体系。应具有必要的承载能力、刚度和变形能力,避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力,采取有效措施加强可能出现的薄弱部位。
规则平面布置需满足的要求是:结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载,受力明确,传力直接,力争均匀对称,减少扭转的影响。在高层建筑的一个独立结构单元内,应使结构平面形状简单、规则,刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面布置。
抗震设计的B级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑,其平面布置应简单、规则,减少偏心。
二、如何做好高层建筑结构设计
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结构设计是一项集结构分析、数学优化方法、计算机按术于一体的综合性技术工作,同时也是一门实用性很强的工作。
(一)做好结构方案的概念设计
结构设计人员在进行设计时不能盲目完全信赖和依靠计算机,只要高度重视概念设计才能设计出经济合理的结构。结构的概念设计与建筑师的方案设计是相互协调和影响的。结构概念设计的目的首先是在初步设计以前为所设计的工程项目设定一个总体性的方案,根据建筑意图和使用功能的需要,根据当地建造条件、材料来源和业主对资金的使用等多方面因素的要求,使得下一步的设计施工和维护使用都能做到又好、又快、又省。其次,在结构的概念设计中还应该确定选用一个合理的高层建筑结构体系。
(二)对结构构件进行优化设计和施工图设计
首先是进行结构单个构件内力和配筋计算。计算结构不超筋,并不表示构件初始设置的截面和形状合理,设计人员还应进行构件截面优化设计。使构件在保证受力要求的条件下截面的大小和形状合理,并节省材料。因为构件截面的大小直接影响到结构的刚度,从而对整体结构的周期、位移、地震力等一系列参数产生影响,不可盲目减小构件截面尺寸,使结构整体安全度降低,因此在进行截面优化设计时,应以保证整体结构合理性为前提,在施工图设计阶段,还必须满足规范规定的各项具体措施和要求。
三、结构整体计算方法
结构计算是高层结构设计的核心部分。 (一)结构参数(部分)的确定
1.混凝土容重宜取27-30。结构构件梁、柱、剪力墙等考虑粉刷或装饰面层后的容重应大于25kNm3,如考虑20厚砂浆粉刷,当柱截面为400×400时,γ=(4402-4002×20/4002+25=42+25=29.2,当柱截面为时600×600,γ=(6402-6002)×20/6002+25=2.7555+25=27.8,如柱截面为1000×1000,γ=(10402-10002)×2010002+25=1.632+25=26.632。梁250×500(板厚按100mm计):γ=(290×420-250×400)×20/(250×500)+25=3.488+25=28.5,梁300×800(板厚按100mm
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计):γ=(340×720-300×700)×20(300 × 800)+25=2.9+25=27.9,剪力墙厚200:γ=40×20/200+25-4+25=29,剪力墙厚300:γ=40×201300+25=2.67+25=27.670
2.周期折减系数:周期折减系数应根据本工程填充墙的多少来确定周期折减系数值,填充墙多取小值,填充墙少取大值。第3.3.17条规定一般框架结构取0.6-0.7,框剪结构取0.7-0.8,剪力墙结构取0.9-1.0。
3.梁端弯矩调幅系数:一般现浇框架为0.8-0.9(《高规》第5.2.3条),一般可填0.85。
(二)结构整体计算
1.适用高度和高宽比。在带有大型裙房的复杂高层建筑中,计算高宽比的房屋高度和宽度可按裙房以上部分考虑。对于带悬挑的结构,结构房屋宽度应按扣除悬挑宽度厚的结构宽度计算。
2.周期比。如果周期比不满足规范的要求,设计人员需要增加结构周边构件的刚度,或者在结构的刚度有富余时,适当降低结构中间构件的刚度,使得结构满足规范要求。
3.位移比(层间位移比)是控制结构平面不规则性的重要指标。位移比的大小是判断结构是否规则的重要依据,设计人员应正确选用考虑偶然偏心影响的单向地震下的位移比。 4.刚度比是控制结构竖向不规则,避免竖向刚度突变而形成薄弱层的重要指标。限值详见《抗震规范》第3.4.2条和《高规》第4.4.2条规定。
5.层间受剪承载力比是控制结构竖向不规则的重要指标。层间受剪承载力比限值详见《抗震规范》第3.4.2条和《高规》第4.4.3条规定。
6.刚重比是结构刚度与重力荷载之比。该值如果不满腰求,则可能引起结构失稳倒塌,应当引起设计人员的足够重视。
7.剪重比(楼层最小地震剪力系数)也是抗震设计中非常重要的参数。
(三)确定参数合理取值
1.结构基本周期是计算风荷载的重要指标。一般情况下,多层和高层钢筋砼房屋的基本自振周期T1(用于风振计算)可按下列公式估算。