摘要:随着我国经济的迅速发展,全国大中型城市的多高层建筑迅速增多,随着高层建筑的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建筑结构工程师的重要工作内容?本文作者对高层建筑结构体系及布局进行了分析?
一?高层结构的基本受力单元
高层结构的基本受力单元包括框架?剪力墙和筒体?其中筒体又可以分为核心筒和框筒,框架由梁?柱构成?
1?剪力墙
剪力墙是宽度和高度比其厚度大得多,且以承受水平荷载为主的竖向结构?剪力墙的宽达十几米或更大,高达几十米甚至上百米?相对而言,它的厚度则很薄?剪力墙平面内的刚度很大,而平面外的刚度很小?为了保证剪力墙的侧向稳定,各层楼盖对它的支撑作用相当重要?
剪力墙的下部一般固结于基础顶面,构成竖向悬臂构件,习惯上称其为落地剪力墙?剪力墙既可以承受水平荷载,也可以承受竖向荷载,但承受平行于墙体平面的水平荷载是其主要作用,这一点与一般仅承受竖向荷载的墙体有区别?在抗震设防区,水平荷载由水平地震作用产生因此剪力墙有时也称为抗震墙?由于纵横墙相连,故剪力墙的截面形成I形?Z形?T形和]形?剪力墙上常常因建筑要求开设门窗洞,开洞时应尽量使洞口上下对齐,布置规则,洞到墙边的距离必须满足一定的要求?
2?核心筒
核心筒一般由电梯间或设备管线井道周围的钢筋混凝土墙组成?其水平截面为箱形,是竖向悬臂薄壁结构?在建筑平面布置中,为了充分利用建筑物四周的景观和采光,电梯间等服务性用房常设置在房屋的中部,核心筒由此而得名?因筒壁上仅开有少量洞口,故有时也称为“实腹筒”?简体在两个水平方向均有很大的刚度?核心筒的刚度除了与壁厚有关外,还与简体的平面尺寸有关?平面尺寸越大,结构的刚度越大?但平面尺寸的增大会减少使用面积?
3?框筒
框筒是由布置在房屋四周的密集立柱与高跨比很大的裙梁所组成的空腹筒体,它犹如四榀平面框架在角部连接而成,故称为框筒?框筒结构在水平荷载作用下,不仅与水平荷载相平行的两榀框架(常称为腹板框架)受力,而且与水平荷载相垂直的两榀框架(常称为翼缘框架)也参与工作,构成一个空间受力结构?
二?高层结构体系
由高层结构的基本受力单元可以构成许多种类的结构承重体系?最常用的有框架结构体系?剪力墙结构体系?框架一剪力墙结构体系?筒体结构体系?框架一筒体结构体系等?
1?框架结构体系
高层建筑中的框架结构体系由纵横向框架组成,框架既承受竖向荷载,又承受两个方向的水平荷载?框架结构具有布置灵活的优点,容易满足各种不同的建筑功能和造型要求?框架结构的延性和抗震性能较好,但由于侧向刚度相对较小,在地震作用下容易产生较大的变形而导致非结构构件的破坏,框架结构的高度受到一定限制?
2?剪力墙结构体系
剪力墙结构体系由纵?横向剪力墙和楼板构成,剪力墙既承受两个方向的水平荷载,又承受全都的竖向荷载?剪力墙结构体系的侧向刚度较大,因而建造高度比框架结构体系大?由于竖向荷载直接由楼盖传递至剪力墙,剪力墙的间距决定了楼板的跨度,一般为3~8m,因而剪力墙结构体系的平面布置受到很大限制,适用于隔墙位置固定,平面布置比较规则的住宅?旅馆等建筑?当底层或底部若干层需要取消一部分剪力墙,以形成大空间满足建筑要求时,一部分剪力墙的底部成为框架,即成为框支剪力墙,其余部分的剪力墙仍为落地剪力墙?这类结构体系称为底部大空间剪力墙结构?为了使上层剪力墙的水平力有效地传递到落地剪力墙上,需设置过渡楼面,一般称为转换层?较小的转换层可采用厚板,较大的转换层则采用梁或桁架?
3?框架―剪力墙结构体系
框架一剪力墙结构体系由框架和剪力墙组成,它克服了框架结构侧向刚度小和剪力墙结构开间过小的缺点,发挥了两者的优势,既可使建筑平面灵活布置,又能使层数不是太多(30层以下)的高层建筑有足够的侧向刚度?
由于楼盖在自身平面内的巨大刚度,水平荷载由框架和剪力墙共同承担,一般情况下,剪力培承担大部分剪力?负荷范围内的竖向荷载则由框架或剪力墙各自承担?在框架―剪力墙结构体系中,剪力墙应尽可能均匀布置在房屋的四周,以提高结构抵抗扭转的能力
4?简体结构体系
简体结构体系的主要形式有框筒结构?筒中筒结构和成束筒结构?典型的框筒结构体系,为了减小楼面结构的跨度,中间往往设置一些柱子,以承受竖向荷载,而水平荷载全部由框筒结构承担?筒中筒结构体系由建筑物四周的框筒和内部的核心筒组成?当内外筒之问的距离超过12m时,一般另设承受竖向荷载的内柱,减小楼面结构的跨度?筒中筒结构体系的侧向刚度非常大,是目前超高层建筑的主要结构形式?
5?框架―筒体结构体系
常用的框架―简体结构是在核心筒周围布置框架,以满足建筑功能要求,这种结构体系的受力特点与框架―剪力墙结构体系类似,发挥了框架和筒体各自的优点?由于核心筒的位置和平面尺寸受建筑布置的影响,因而结构的侧向刚度受到一定限制?有时在建筑物四周布置多个实腹筒体,而中间为框架结构,这也是一种框架一筒体结构形式,一般称为框架―多筒体结构体系?
6?巨型框架结构体系
巨型框架结构是利用筒体作为柱子,在筒体与筒体之间每隔若干层(几层或十几层)设置巨型梁或桁架,形成具有很强侧向刚度的框架结构,其余楼层设置次框架?次框架可以落在巨型梁上或悬挂在巨型梁上,后者一般称为悬挂结构?次框架上的竖向荷载和水平荷载全部传递给巨型框架?
三?高层建筑结构布置原则
1?平面布置
在高层建筑中,水平荷载往往起着控制作用?从抗风的角度,具有圆形?椭圆形等流线形周边的建筑物受到的风荷载较小;从抗震角度,平面对称?结构侧向刚度均匀,平面长宽比较接近,则抗震性能较好?因而高层建筑的平面宜简单?规则?对称,减少偏心?
在框架―剪力墙结构中,横向剪力墙宜均匀设置在建筑物的端部附近?楼梯问?电梯间?平面形状变化处及恒荷载较大的地方?横向剪力墙的间距应满足相关的要求?纵向剪力墙宜布置在结构单元的中间区段内?房屋纵向较长时,纵向剪力墙不宜集中在两端,以减少温度?收缩应力的影响?每榀剪力墙承受的水平力不宜超过总水平力的40%?
筒中筒结构的高宽比宜大于3,高度不宜低于60m?框筒结构高宽比宜大于4,为保证翼缘框架在抵抗水平荷载中的作用,充分发挥框筒的空间工作性能,一般要求框筒墙面孔洞面积不大于墙面总面积的50%;内筒与外筒之间的距离,对非抗震设计不宜大于12m;对抗震设计不宜大于l0m;外侧框筒柱距不宜大于层高,宜小于3m;矩形框筒的长宽比不宜大于1.5,任何情况下不应大于2?
房屋的顶层?结构转换层?平面复杂或开洞过大的楼层应采用现浇楼面;房屋高度超过50m时,宜采用现浇楼面结构;框架一剪力墙结构应优先采用现浇楼面?
2?竖向布置
抗震设防区的高层建筑,竖向体型应力求规则?均匀,避免有过大的外挑和内收?楼层刚度沿高度逐渐变化,没有突变?符合下列要求的建筑可视为竖向规则建筑,否则应考虑刚度突变产生的不利影响:立面局部收选艮寸不大于该方向总尺寸的25%;楼层刚度不小于相邻上层刚度的70%,且连续三层总的刚变下降不超过50%?
3?变形缝设置
由于变形缝的设置会给建筑带来一系列的困难,如屋面防水?地下室渗漏?立面处理等,因而在设计中宜通过调整平面形状和尺寸,采取构造和施工措施,尽量少设缝和不设缝?当需要设缝旷,应将结构划分为独立的结构单元?当房屋长度超过限值,又未采取可靠措施时,应设置伸缩缝?当屋面无隔热或保温措施时,或位于气候干燥地区,夏季炎热且暴雨频繁地区的结构,应适当减少伸缩缝间距?当混凝土的收缩较大,或室内结构因施工外露时间较长,伸缩密缝间距也应减小?
四?结束语
总而言之,现如今在高层建筑的结构选型方面,引起了相当部分的国内外专家?学者的关注,但是理论研究及方法应用尚不够充分?结构选型是一个复杂的决策问题,有大量的不确定性,这就要求结构选型研究要趋于建立集成的结构型式智能产生与创新?评价与决策的优化方法,为高层建筑选型提供工程科学依据,进一步促进高层结构体系的发展?