高層建築結構設計影響因素

高層建築結構的承載能力、側移剛度、抗震性能、材料用量和造價高低,與其採用結構體系有着密切關係。下面小編爲大家分享高層建築結構設計影響因素,歡迎大家閱讀瀏覽。

高層建築結構設計影響因素

  1、高層建築的特點

➀在相同的建設場地中,建造高層建築可以獲得更多的建築面積,這樣可以部分解決城市用地緊張和地價高漲的問題。設計精美的高層建築還可以爲城市增加景觀。但高層建築太多、太密集也會對城市帶來熱島效應,玻璃幕牆過多的高層建築羣還可能造成光污染現象。

➁在建築面積與建設場地面積相同比值的情況下,建造高層建築比多層建築能夠提供更多的空閒地面,將這些空閒地面用作綠化和休息場地,有利於美化環境,並帶來更充足的日照、採光和通風效果。例如在新加坡的新建居住區中,由於建造了高層建築羣,留下了更多地面空間,可以更好地建設城市綠化和人們休閒活動空間。

➂高層建築中的豎向交通一般由電梯來完成,這樣就會增加建築物的造價,從建築防火的角度看,高層築的防火要求要高於中低層建築,也會增加高層建築的工程造價和運行成本。

  2、高層建築設計的主要原因

水平作用是設計的主要因素,任何建築結構都要抵抗豎向荷載和水平荷載,在低層和多層結構設計中,往往是以重力爲代表的豎向荷載起控制作用,對於高層結構的設計,儘管豎向荷載仍對結構設計產生重要作用,但起控制作用的是水平荷載。之所以如此,其根本原因在於側移和內力隨高度的增加而迅速增長,例如一根懸臂杆件,在豎向荷載作用下,產生的軸力僅與高度成線性比例,但在水平荷載作用下,其彎矩與高增加。因此,在高層建築結構設計中,抗側力的設計是關鍵,水平荷載是決定因素。對於一定高度的建築物,作爲其水平荷載的風荷載和地震作用將隨結構動力特性的不同而有顯著的變化。

  3、側移成爲控制指標

與低層或多層建築不同,結構側移已成爲高層建築結構設計的關鍵因素。隨着建築高度增加,水平荷載作用下結構側向變形迅速增大結構側移與高度呈現四次方關係上升。在高層建築結構設計中,不僅要求結構具有足夠的強度,還要求具有足夠的抗倒移剛度,以保證結構在水平荷載作用下所產生的側移限制在一定範圍內。側移是高層建築的要害問題,之所以要控制結構側移,其主要原因有:

➀側移過大,使建築物內的人在心理上產生不適應,控制結構側移是保證建築物正常使用的需要。

➁側移過大,使建築物內的填充牆、建築裝飾和電梯軌道等服務設施產生裂縫、變形,甚至損壞。

➂側移過大,將導致結構開裂或損壞,進而危及結構正常使用和耐久性,實際上控制結構構件裂縫就是限制結構側移。

➃地震對建築物的破壞程度,主要取決於結構側移大小,如果結構變形能力不足以抵禦地震輸入能量對結構變形的要求,結構則會發生倒塌。

  4、抗震設計要求更高

在高層建築結構的抗震設防設計時,要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載,還必須使建築結構具有良好的抗震性能,做到小震不壞、中震可修、大震不倒。計算結構的延性是困難的,結構或構件的延性是通過一系列的構造措施實現的。在高層建築設計中,爲使結構具有良好的延性,構件要有足夠大的截面尺寸,柱的軸壓比、樑和剪力牆的剪壓比、構件的配筋率都要適宜,應遵照規範、規程的要求。

  5、軸向變形不容忽視

任何建築結構在外力作用下產生的位移都包括彎曲、軸向變形和剪切變形三部分。在低層建築結構設計中,通常只考慮彎曲變形,而忽略鈾向變形和剪切變形的影響,因爲一般結構構件的軸力和剪力產生影響較小,可不考慮。而高層建築由於層數多、軸力大,再加上沿高度積累的軸向變形顯著,軸向變形會對高層結構的內力產生很大影響。此外,高層結構中的剪力牆的截面也往往很大。因此,剪切變形的影響不可忽略。

採用框架體系和框架———剪力牆體系的高層建築中,框架中柱的軸向壓力往往大於邊柱的鈾向壓力,中柱的軸向壓縮變形大於邊柱的.軸向壓縮變形。當房屋很高時,此種差異軸向變形將會達到較大的數值,其後果相當於連續樑的中間支座產生沉陷,從而使連續樑中間支座處的負彎矩值減小,跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。故在高層建築設計中,軸向變形不能不考慮。

在高層建築結構的力學計算中,根據所選計算手段,所計算的構件變形因素是有區別的。對於簡化助手計算方法,一般只計算最基本的變形。採用計算機方法計算時,計算的變形因素要多一些。當用空間協同工作方法時,考慮了樑的彎曲、剪切變形,考慮了柱、剪力牆的彎曲、剪切和軸向變形;當用完全的三維空間分析方法時,除考慮了前面全部變形外,還增加了樑、柱、剪力牆的扭轉變形,以及剪力牆牆體截面的翹曲變形。

  6、概念設計與理論計算同等重要

概念設計是指一些難以做出精確力學分析或在規範中難以具體規定的問題,必須由工程師運用“概念”進行分析,做出判斷,以便採取相應措施。概念設計帶有一定經驗性。高層建築結構的抗震設計計算是在一定假定條件下進行的。儘管分析的手段不斷提高,分析的原理不斷完善,但是由於地震作用的複雜性和不確定性,地基土影響的複雜性和結構體系本身的複雜性,可能導致理論分析計算和實際情況相差數倍之多。尤其是當結構進入彈塑性階段之後,會出現構件的局部開裂,甚至破壞,這時結構就很難用常規的計算原理去進行內力分析。實踐表明,在設計中把握好高層建築的概念設計,從整體上提高建築的抗震能力,消除結構中的抗震薄弱環節,再輔以必要的計算和結構措施,才能設計出具有良好抗震性能的高層建築。將注重概念設計作爲高層建築結構的最高原則提出其主要內容爲:

➀應特別重視建築結構的規則性(包括平面規則性和豎向規則性)。

➁合理選擇建築結構體系包括:a.明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑;b.避免因部分結構構件的破壞而導致整個結構喪失承受重力、風載和地震作用的能力;c.結構體系應具備必要的承載能力和良好的變形能力,從而形成良好的耗能能力。

➂採取必要的抗震措施提高結構構件的延性。

  7、減輕高層建築自重比多層建築更重要

減輕高層建築的自重比多層建築更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮,如果在同樣的地基或樁基情況下,減輕房屋自重意味着在不增加基礎的造價和處理措施的前提下,可以多建層數,這在軟弱土層上可能具有突出的經濟效益。地震效應與建築的自重成正比,減輕房屋自重是提高結構抗震能力的有效辦法。高層建築的質量大了,不僅作用於結構上的地層剪力大,還由於重心高、地震作用傾覆力矩大對豎向構件產生很大的附加軸力,也造成很大的附加彎矩。

  8、結構整體穩定和傾覆問題

➀整體穩定。建築物在豎向荷載作用下由於構件的壓屈,可能造成整體失穩。我國國內高層建築層數大多在40層以下,剛度很大,整體穩定一般不存在問題。當高寬比H/B>5時應驗算其整體穩定性。

➁傾覆問題。高層建築由於總高度值很大,基底面積小,在水平荷裁和水平地震作用下,產生很大的傾覆力矩,如果傾覆力矩超過穩定力矩,則建築物將會發生傾覆,此方面地層災害實例也已證實。在抗傾覆驗算中,傾覆力矩按風荷載或地震作用計算其設計值。計算穩定力矩時,樓面活載取50%,恆載取90%,要求抗傾覆的穩定力矩不小於傾覆力矩設計值。對於高度超過150m的高層建築應進行整體穩定性及抗傾覆驗算。