论文部分内容阅读
摘要：现代生活中的高层建筑结构型式越来越复杂，在结构设计中既要适应市场需求，又要满足规范要求，除了进行必要的抗震计算分析外，更重要的是结构的概念设计．本文通过分析高层建筑结构设计特点，针对概念设计的基本原则，提出在高层建筑结构体系的选择及抗震性能方面应注意的问题．
关键字：高层建筑建筑结构概念设计
一、高层建筑结构设计的特点
筑结构设计相比较，结构专业的各专业中
1、高层建筑结构设计与低层多层建占有更重要的地位。不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面布置，立面体型，楼层高度，机电管道的设置，施工技术要求，施工工期的长短和投资造价的高低。
2、高层结构设计中水平力是设计的主要因素。在低多层房屋结构中，水平力产生的影响较小，以抵抗竖向荷载为主，侧向位移小，通常可以忽略不计。在高层结构设计中，随着结构高度的增加，水平力(风荷载或地震作用)产生的内力和位移迅速增大。
3、高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力的刚度，将结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规范规定的范围内。因此，高层建筑所需的侧向刚度由位移控制。
4、高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样基础条件下，减轻房屋自重意味着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层有突出的经济效益。另外地震效应是与建筑的质量成正比的，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效方法。因此在高层建筑中，结构材料宜采用高强度材料。
5、在高层建筑的抗风设计中，应保证结构有足够承载力，必须具有足够的刚度；控制好在风荷载作用下的位移值，保证有良好的居住和工作条件；维护结构和装饰构件必须有足够的承载力，并与主体结构可靠连接。
6、有抗震设防的高层建筑应进行详细勘察，摸清地质情况，选择位于开阔平坦地带，具有较好场地土的对抗震有利的地段。
7、地基基础的承载力和刚度要与上部结构的承载力和刚度相适应。当上部结构与基础连接部位考虑受弯承载力增大时，相临基础及上部结构嵌固部位的地下室结构。应考虑弯矩增大的作用。
8、剪跨比和剪压比是判别梁、柱和墙肢等抗侧力构件抗震性能的重要指标。剪跨比用于区分变形特征和变形能力，剪压比用于限制内力，保证延性。
二、高层建筑概念设计的基本原则
1、以承载力、刚度、延性为主导目标，实施多道防线、刚柔结合的结构形式。即应具有一定大的刚度和承载力来抵御风荷载和小震，随着第一道防线破坏，结构变柔后仍有足够大的弹塑性变形能力和延性耗能能力来抵御未来可能遭遇的罕遇大震。例如，林同炎教授根据此思想设计的18层马那瓜美洲银行在1972年的马那瓜大地震中经受了绝佳的考验。
2、在对结构进行分析计算时，应该运用最简单、最直接、概念最清楚的计算方法，将结构的受力与传力途径设计成简单、直接，明确。尽可能避免出现以抗扭为主导的关键性传力构件。
3、尽可能使结构平面布置的正交抗侧力刚度中心(简称刚心)和建筑物表面力 (风力)作用中心或质量重心(质心)靠近或重合，以避免或减小在风荷载或地震作用下产生的扭转效应。
4、建筑物竖向布嚣的抗侧力刚度构件也最好设计成均匀、连续，避免出现软弱层和上下层问的剪切刚度、弯曲刚度和轴压刚度的突变。
5、应重视上部结构与其支承结构整体共同作用的机理，即传力与受力结构两者之间的共同作用；例如，在高层建筑的箱基和筏基的底板设计中，计算软件无法进行上部结构一地下室一地基基础的相互作用分析，计算出来的底板内力远远大于底板实际受到的内力。
三、高层建筑中的结构体系的选择
结构设计实际上是在各种约束条件下的最优化选择过程。在这一过程中要对建筑材料与结构形式进行综合考虑，如建筑材料形式主要有钢筋混凝土结构钢结构、混凝土和钢的组合结构：结构体系主要有剪力墙结构、框架剪力墙结构、框筒结构、简中简结构。
对于结构选型来说，没有普遍使用的选择标准，往往是随着建筑的环境、功能要求有所变化，每一选择都有其优劣性。需要设计师仔细斟酌。例如：框筒是高层建筑最常用的结构形式，为了减少框简的剪力滞后，外框筒一般应采用密柱高裙梁的形式。但这种做法不仅限制了建筑体型和建筑功能，而且当建筑的平面尺寸较大时也往往难以发挥结构的效能。因而，在结构的竖向平面内增加斜向支撑，形成组合框架式结构或框架简结构的做法，已在工程界广泛采用，并被认为是增加高层结构抗侧移刚度的最有效和经济的方法。香港的中银大厦、上海证券大厦等工程，在外框筒中增加了斜撑，达到了结构和建筑的完美结合。
选型与布置的具体内容：
一是结构平面形状和立体体型的选择。平面形状宜简单、规则、对称，避免过多的外伸、内凹，以预防地震时产生大的震害。
二是电梯间的布置。电梯间会对楼板产生较大的削弱，布置时应尽量避开端角和凹凸处。同时，还应避免在电梯开洞后将建筑物截为两段。在纯框架结构中，电梯井一般不宜采用钢筋混凝土井筒，所以，到底设计成框架结构还是框剪结构，必须十分明确。如为框架结构，则不宜设剪力墙：如设计为框剪结构，剪力墙的数量必须足够。
三是错层的布置。一般说来，高层建筑不应设置错层，对于因局部取消梁板而形成的联层柱，应控制其高度。
四是必须具有明确的主群楼关系。
五是为防止地震时高层建筑的倾覆和滑移，基础必须有足够的埋深。
四、提高结构的抗震性能
由于高层建筑的受力特点不同于低层建筑，因此在地震区进行高层建筑结构设计时，除应保证结构具有足够的强度和刚度外，还应具有良好的抗震性能。通过合理的抗震设计，使建筑物达到小震不坏，中震可修，大震不倒。为了达到这一要求，结构必须具有一定的塑性变形能力来吸收地震所产生的能量，减弱地震破坏的影响。
框架結构设计应使节点基本不破坏，梁比柱的屈服易早发生。同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜晚形成，应使梁、柱端的塑性铰出现得尽可能分散，充分发挥整体结构的抗震能力。为了保证钢筋砼结构在地震作用下具有足够的延性和承载力，应按照“强柱弱粱”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”的原则进行设计，合理地选择柱截面尺寸，控制柱的轴压比，注意构造配筋要求，特别是要加强节点的构造措施。
对于框架一剪力墙结构和剪力墙结构中各段剪力墙高宽比不宜小于2，使其在地震作用下呈弯剪破坏，且塑性屈服尽量产生在墙的底部。连梁宜在梁端塑性屈服，且有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效。按照“强墙弱梁”的原则加强墙肢的承载力，避免墙肢的剪切破坏，提高其抗震能力。
随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑结构设计也提出了更高的要求。因此，作为工程设计界的同仁，我们应该在工程设计的实践中推广和运用概念设计的思想，不断提高建筑结构方案设计的水平。我们相信，概念设计必然会为越来越多的结构工程师所接受，并将在结构设计中发挥更大的作用。
关键字：高层建筑建筑结构概念设计
一、高层建筑结构设计的特点
筑结构设计相比较，结构专业的各专业中
1、高层建筑结构设计与低层多层建占有更重要的地位。不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面布置，立面体型，楼层高度，机电管道的设置，施工技术要求，施工工期的长短和投资造价的高低。
2、高层结构设计中水平力是设计的主要因素。在低多层房屋结构中，水平力产生的影响较小，以抵抗竖向荷载为主，侧向位移小，通常可以忽略不计。在高层结构设计中，随着结构高度的增加，水平力(风荷载或地震作用)产生的内力和位移迅速增大。
3、高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力的刚度，将结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规范规定的范围内。因此，高层建筑所需的侧向刚度由位移控制。
4、高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样基础条件下，减轻房屋自重意味着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层有突出的经济效益。另外地震效应是与建筑的质量成正比的，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效方法。因此在高层建筑中，结构材料宜采用高强度材料。
5、在高层建筑的抗风设计中，应保证结构有足够承载力，必须具有足够的刚度；控制好在风荷载作用下的位移值，保证有良好的居住和工作条件；维护结构和装饰构件必须有足够的承载力，并与主体结构可靠连接。
6、有抗震设防的高层建筑应进行详细勘察，摸清地质情况，选择位于开阔平坦地带，具有较好场地土的对抗震有利的地段。
7、地基基础的承载力和刚度要与上部结构的承载力和刚度相适应。当上部结构与基础连接部位考虑受弯承载力增大时，相临基础及上部结构嵌固部位的地下室结构。应考虑弯矩增大的作用。
8、剪跨比和剪压比是判别梁、柱和墙肢等抗侧力构件抗震性能的重要指标。剪跨比用于区分变形特征和变形能力，剪压比用于限制内力，保证延性。
二、高层建筑概念设计的基本原则
1、以承载力、刚度、延性为主导目标，实施多道防线、刚柔结合的结构形式。即应具有一定大的刚度和承载力来抵御风荷载和小震，随着第一道防线破坏，结构变柔后仍有足够大的弹塑性变形能力和延性耗能能力来抵御未来可能遭遇的罕遇大震。例如，林同炎教授根据此思想设计的18层马那瓜美洲银行在1972年的马那瓜大地震中经受了绝佳的考验。
2、在对结构进行分析计算时，应该运用最简单、最直接、概念最清楚的计算方法，将结构的受力与传力途径设计成简单、直接，明确。尽可能避免出现以抗扭为主导的关键性传力构件。
3、尽可能使结构平面布置的正交抗侧力刚度中心(简称刚心)和建筑物表面力 (风力)作用中心或质量重心(质心)靠近或重合，以避免或减小在风荷载或地震作用下产生的扭转效应。
4、建筑物竖向布嚣的抗侧力刚度构件也最好设计成均匀、连续，避免出现软弱层和上下层问的剪切刚度、弯曲刚度和轴压刚度的突变。
5、应重视上部结构与其支承结构整体共同作用的机理，即传力与受力结构两者之间的共同作用；例如，在高层建筑的箱基和筏基的底板设计中，计算软件无法进行上部结构一地下室一地基基础的相互作用分析，计算出来的底板内力远远大于底板实际受到的内力。
三、高层建筑中的结构体系的选择
结构设计实际上是在各种约束条件下的最优化选择过程。在这一过程中要对建筑材料与结构形式进行综合考虑，如建筑材料形式主要有钢筋混凝土结构钢结构、混凝土和钢的组合结构：结构体系主要有剪力墙结构、框架剪力墙结构、框筒结构、简中简结构。
对于结构选型来说，没有普遍使用的选择标准，往往是随着建筑的环境、功能要求有所变化，每一选择都有其优劣性。需要设计师仔细斟酌。例如：框筒是高层建筑最常用的结构形式，为了减少框简的剪力滞后，外框筒一般应采用密柱高裙梁的形式。但这种做法不仅限制了建筑体型和建筑功能，而且当建筑的平面尺寸较大时也往往难以发挥结构的效能。因而，在结构的竖向平面内增加斜向支撑，形成组合框架式结构或框架简结构的做法，已在工程界广泛采用，并被认为是增加高层结构抗侧移刚度的最有效和经济的方法。香港的中银大厦、上海证券大厦等工程，在外框筒中增加了斜撑，达到了结构和建筑的完美结合。
选型与布置的具体内容：
一是结构平面形状和立体体型的选择。平面形状宜简单、规则、对称，避免过多的外伸、内凹，以预防地震时产生大的震害。
二是电梯间的布置。电梯间会对楼板产生较大的削弱，布置时应尽量避开端角和凹凸处。同时，还应避免在电梯开洞后将建筑物截为两段。在纯框架结构中，电梯井一般不宜采用钢筋混凝土井筒，所以，到底设计成框架结构还是框剪结构，必须十分明确。如为框架结构，则不宜设剪力墙：如设计为框剪结构，剪力墙的数量必须足够。
三是错层的布置。一般说来，高层建筑不应设置错层，对于因局部取消梁板而形成的联层柱，应控制其高度。
四是必须具有明确的主群楼关系。
五是为防止地震时高层建筑的倾覆和滑移，基础必须有足够的埋深。
四、提高结构的抗震性能
由于高层建筑的受力特点不同于低层建筑，因此在地震区进行高层建筑结构设计时，除应保证结构具有足够的强度和刚度外，还应具有良好的抗震性能。通过合理的抗震设计，使建筑物达到小震不坏，中震可修，大震不倒。为了达到这一要求，结构必须具有一定的塑性变形能力来吸收地震所产生的能量，减弱地震破坏的影响。
框架結构设计应使节点基本不破坏，梁比柱的屈服易早发生。同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜晚形成，应使梁、柱端的塑性铰出现得尽可能分散，充分发挥整体结构的抗震能力。为了保证钢筋砼结构在地震作用下具有足够的延性和承载力，应按照“强柱弱粱”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”的原则进行设计，合理地选择柱截面尺寸，控制柱的轴压比，注意构造配筋要求，特别是要加强节点的构造措施。
对于框架一剪力墙结构和剪力墙结构中各段剪力墙高宽比不宜小于2，使其在地震作用下呈弯剪破坏，且塑性屈服尽量产生在墙的底部。连梁宜在梁端塑性屈服，且有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效。按照“强墙弱梁”的原则加强墙肢的承载力，避免墙肢的剪切破坏，提高其抗震能力。
随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑结构设计也提出了更高的要求。因此，作为工程设计界的同仁，我们应该在工程设计的实践中推广和运用概念设计的思想，不断提高建筑结构方案设计的水平。我们相信，概念设计必然会为越来越多的结构工程师所接受，并将在结构设计中发挥更大的作用。