淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：我們的科學(xué)技術(shù)越來越發(fā)達(dá)，進(jìn)而我們的建筑業(yè)也催生出許許多多新的結(jié)構(gòu)和施工技藝。由于我們的社會對我們的高層建筑有了更高的要求，所以我們的高層建筑結(jié)構(gòu)也有了新的發(fā)展，本文就現(xiàn)代的一些高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和了解。關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)荷載結(jié)構(gòu)構(gòu)件0引言從古代以來，人類在建筑上就有向高處發(fā)展的構(gòu)想，并通過思考和研究，將高層建筑從夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。古埃及的金字塔凝結(jié)了多少古人的智慧結(jié)晶。 21世紀(jì)以來，我們對于城市的空間需求越來越大，我們的空間利用率越來越高，我們的建筑物也變得越來越高，我們的高層建筑的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越來越先進(jìn)，水平越來越高。接下來就我們一起了解高層建筑結(jié)構(gòu)

2、的設(shè)計(jì)吧。1高層建筑的界定一般來說，我們判斷是否為高層建筑的依據(jù)為建筑的高度和層數(shù)。世界各地對于高層建筑的規(guī)定不同。按照我國建設(shè)部最近批準(zhǔn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，把十層以及以上或者建筑物的高度高于28m的稱作高層建筑。2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見結(jié)構(gòu)2.1承重墻結(jié)構(gòu)承重墻結(jié)構(gòu)在芝加哥19世紀(jì)80年代引人鋼框架和幕墻以前，承重墻是高層建筑物的主要支承結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的高層砌體建筑物是巨大的重力結(jié)構(gòu),在那里墻體被理解為獨(dú)立地發(fā)揮作用，它們的作用并不被看成整個(gè)三維空間建筑形體的一部分。直到第二次世界大戰(zhàn)后,經(jīng)過工程設(shè)計(jì)的薄墻砌體結(jié)構(gòu)才被引人歐洲。承重墻結(jié)構(gòu)大部分用于需要頻密空間劃分的建筑類型，如住宅建筑。承重墻的間距可以

3、較密，例如1218ft(3.65.4m),可直接作為房間之間的分隔，也可以拉開間距，例如相隔30ft(9m)，采用大跨度的樓蓋體系來支承進(jìn)一步劃分空間的隔墻。15層或15層以上的磚、混凝土砌塊、預(yù)制混凝土大墻板或者現(xiàn)澆鋼筋混凝土的承重墻建筑,在今天還是很普遍，它們已經(jīng)可以蓋到26層高。承重墻原則上適合多種建筑形式和布局。平面形式涵蓋了從板式建筑、不同形狀的塔式建筑直至它們的任何組合。墻體布局也可以有不同的形式，例如十字墻、長肢墻、雙十字墻、筒狀墻和輻射狀墻。1通過以上墻體的組合，可以得到無數(shù)種混合體系。墻體可以是自然地彼此連續(xù)排成一直線，也可以參差錯(cuò)列,它們可以相互交叉，也可以形成單個(gè)墻柱作為

4、獨(dú)立構(gòu)件發(fā)揮作用。承重墻通常既承受重力又承受側(cè)向力。2.2核心筒結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)60年代,Metabolists把沿著核心筒的豎向流通和服務(wù)空間清楚地分隔開，他的思想影響了許多帶有外露式服務(wù)性豎井的多核心筒建筑物。這些都市建筑群按照KenzoTange"建筑物像生物一樣以新陳代謝的方式生長”的話發(fā)展著，它們由很多服務(wù)性的塔樓組成，其間通過多層橫向通道彼此連接,這些塔樓又包含許多再分的間隔。2這種都市型的巨型結(jié)構(gòu)的例子還可以從20世紀(jì)70年代的醫(yī)院規(guī)劃中找到。住宅建筑的功能是固定的，水電氣的供應(yīng)容易沿豎向布置,因此直線布置的承重墻在住宅建筑中發(fā)揮了良好的作用。與此相反，辦公和商業(yè)建筑在布

5、局上需要最大的靈活性，要求有大面積的開放空間，并由活動隔斷再作進(jìn)一步的分隔，因而在這里，豎向流通和其他服務(wù)管線需要集中設(shè)置在豎井里,然后水平地引導(dǎo)至每一樓層。2.3橋式結(jié)構(gòu)20世紀(jì)年代的設(shè)計(jì)師們把橋式構(gòu)的想法變成現(xiàn)實(shí).他們關(guān)注大規(guī)模城市建筑，并想把首層地面和服務(wù)空間與社會活動隔離開。橫跨兩個(gè)豎向支承的大跨度結(jié)構(gòu)有無數(shù)種可能的解決方案。與橋式結(jié)構(gòu)的概緊密聯(lián)系的是核心簡結(jié)構(gòu)，許多建筑物通過類似橋梁的方式組成巨型框架來支承次級筑物。同樣地，一些懸掛結(jié)構(gòu)也以橋的原理為基礎(chǔ)，如在些超高層建筑里，為了穩(wěn)定的目的采用巨型框架或巨型斜撐，把建筑物重量集中到某些點(diǎn)上，并通過下列結(jié)構(gòu)將空間向連通起來，它們是空腹桁

6、架、桁架、拱、懸吊拱及墻梁等。2.4懸掛建筑將懸掛原理應(yīng)用到高層建筑而不僅僅是用于屋蓋結(jié)構(gòu),實(shí)際上是20世紀(jì)的事,盡管涉及懸掛概念的實(shí)驗(yàn)可以追溯到20世紀(jì)20年代。這個(gè)時(shí)期的結(jié)構(gòu)主義者發(fā)現(xiàn)了大量新的支承結(jié)構(gòu)體系，追求用盡可能少的材料來表現(xiàn)沒有重感的建筑。即空間上的輕盈和外立面的通透，沒有粗大結(jié)構(gòu)構(gòu)件所產(chǎn)生的視覺障礙。與框架結(jié)構(gòu)的承壓柱相比,用纜索來懸吊樓板只需要大約1/6的材料，這個(gè)事實(shí)對設(shè)計(jì)者來說是個(gè)新的挑戰(zhàn)。除此之外,這種類型的結(jié)構(gòu)在其底部可以形成個(gè)沒有柱子的空間。從巨大的中央塔頂部伸出龐大的懸臂構(gòu)件，在它們的端部懸吊受拉的柱子.這樣的樹型建筑物如今已經(jīng)常見。它們的樓板或空間單元例如密封艙

7、、盒子建筑)是用豎向或斜向的受拉構(gòu)件懸掛在支承結(jié)構(gòu)上的。典型的懸掛體系應(yīng)用的是剛性核心簡原理(有外伸梁的單個(gè)核心簡或多個(gè)核心簡巨型框架、樹狀框架等)、牽索桅桿原理和整體X拉或空間網(wǎng)絡(luò)原理。33高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與基本要求3.1水平作用是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素在高層建筑設(shè)計(jì)中，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是很重要的一環(huán)。高層建筑結(jié)構(gòu)不單單是要承受來自豎向的荷載(比如說一些結(jié)構(gòu)的自身重量、樓里移動的人或貨物帶來的活荷載)，然后還要承受像風(fēng)的荷載或者地震作用的水平作用。多層建筑，-般可以忽略由水平作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)側(cè)向位移對建筑使用功能或結(jié)構(gòu)可靠度的影響。4在對高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)的合計(jì)的過程中，然而作用在

8、高層建筑物的豎向荷載的和多層建筑物所受到的作用非常的相似。柱子所受到的內(nèi)部的軸力隨著建筑物的高度的增大而變大，這種增大是呈線性關(guān)系而進(jìn)行變化的。然而因?yàn)榻ㄖ锼艿降乃胶奢d所導(dǎo)致的彎矩，隨著建筑物高度的增大而呈現(xiàn)出一種平方的增大的關(guān)系。3.2結(jié)構(gòu)剛度是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素要設(shè)計(jì)多少層或多高的建筑，這是出自使用的需要，而建筑平面和高度一經(jīng)確定，外荷載也就不容商榷。為抵抗外荷載(特別是水平作用)引起的內(nèi)力和制房屋的側(cè)向位移就要要求所使用的結(jié)構(gòu)具有非常大的強(qiáng)度和剛度。3.3高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜采用最佳的高寬比建筑物的高寬比，對于多層建筑來說尚不突出，但對高層建筑卻顯得十分重要。建筑總高度與總寬

9、度要保持合理的比例，才能使建筑體型美觀，又滿足抗風(fēng)抗震要求，這是最佳設(shè)計(jì)的主要條件之一。3.4選擇有利于抗側(cè)力的建筑體型在按照建筑的不同功能和不同層數(shù)選取合理的結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)體系，并考慮其最佳高寬比的同時(shí)，還必須選擇有利于抗風(fēng)抗震的建筑體型，且宜選用風(fēng)作用效應(yīng)較小的平面形狀。比如說，雙層圓形簡中簡結(jié)構(gòu)，在承受來自任何方向的風(fēng)力或地震作用時(shí)，所有柱子總的最大內(nèi)力基本相同，從而可以充分發(fā)揮材料性能。還有就是方型塔式簡體結(jié)構(gòu)，雖然在水平作用下，各柱的內(nèi)力有些差異，但由于縱橫兩個(gè)方向質(zhì)心與重心重合，不產(chǎn)生扭矩，且體型規(guī)整，便于施工。然后就是矩形簡體結(jié)構(gòu)，當(dāng)承受水平作用時(shí)，其結(jié)構(gòu)受力還是比較好的。其他如

10、由八角形、三角形等平面組成的體型，對抗風(fēng)度抗震均較有利，各有其特點(diǎn)可取。3.5高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌布局高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)從總體上注意概念設(shè)計(jì)，我們應(yīng)該把重放在結(jié)構(gòu)類型的選取上，還有就是需要確定好結(jié)構(gòu)體系，在進(jìn)行建筑物的抗震設(shè)計(jì)的過程中，我們應(yīng)該把結(jié)構(gòu)的平面布局做的有規(guī)則一些，我們還要選擇一些抗風(fēng)性能好而且相對來說比較經(jīng)濟(jì)環(huán)保的結(jié)構(gòu)我們需要特別認(rèn)真對待的一點(diǎn)是，我們必須要對構(gòu)造采取有效的加強(qiáng)措施，這樣才能使我們所要設(shè)計(jì)的建筑物和構(gòu)筑物具有良好的抗震性能，以保證我們的建筑物具有可靠性和安全性。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)密不可分，不同的結(jié)構(gòu)體系對建筑布局均有不同的影響。例如，高層建筑是以電梯作為

11、主要的垂直交通工具，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意如何有效地利用電梯，組織方便、安全而又經(jīng)濟(jì)的公共交通體系。其他如供水、供電、通訊設(shè)備，防火、防煙、疏散、安全措施以及服務(wù)設(shè)施、環(huán)境、廢物處理等等。所有這些，均需要全面考慮與統(tǒng)籌安排，我們還要做好這些措施之間的統(tǒng)一性，我們在進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，會帶來新的施工工藝和一些材料和方式的創(chuàng)新。在一些層數(shù)比較低的建筑物之中，我們往往會把這些對于結(jié)構(gòu)安全不太重要的問題給忽視掉。但是這些問題在我們的高層建筑物中就顯得極為重要，我們必須要有足夠的重視并采取合理的有效的方法進(jìn)行處理。其中包括工程技術(shù)問題、建筑藝術(shù)問題、投資經(jīng)濟(jì)效果與社會效益問題，以及對城市建筑的動態(tài)平衡、

12、環(huán)境影響和給人們的心理影響等。綜上所述，高層建筑絕不是建筑層數(shù)的簡單加高，認(rèn)識和掌握這些特點(diǎn)，對進(jìn)行一些層數(shù)比較高進(jìn)行設(shè)計(jì)是特別重要的。3.6防震縫布置震害調(diào)查表明，設(shè)有防震縫的建筑，地震時(shí)由于縫寬不夠，仍難免使相鄰建筑發(fā)生局部碰撞，建筑裝飾也易遭破壞。但防震縫寬度過大，又給立面處理和抗震構(gòu)造帶來困難，故多高層鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)房屋，宜選用合理的建筑結(jié)構(gòu)方案而避免設(shè)置防抗震縫。當(dāng)建筑平面突出部分較長，結(jié)構(gòu)剛度及荷載相差懸殊或房屋有較大錯(cuò)層時(shí)，可設(shè)置防震縫。設(shè)置抗震縫時(shí)，縫的最小寬度應(yīng)符合以下要求。(1)框架結(jié)構(gòu)(包括設(shè)置少置抗震墻的框架結(jié)構(gòu))房屋的防震縫寬度，當(dāng)高度不超過15m時(shí)不應(yīng)小于100mm

13、;高度超過15m時(shí)，6度、7度、8度和9度分別每增加高度Sm、4m)3m和2m,宜加寬20mm。5(2)框架抗震墻結(jié)構(gòu)房屋的防震縫寬度不應(yīng)小于規(guī)定數(shù)值的70%，抗震墻結(jié)構(gòu)房屋的防震縫寬度不應(yīng)小于規(guī)定數(shù)值的50%，且均不宜小行100mm。防震繼兩側(cè)結(jié)構(gòu)類型不同時(shí)，宜按需要較觀防展縫的結(jié)構(gòu)類型和權(quán)低房屋高度確定縫寬，%理、9度柜架結(jié)構(gòu)房屋防震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)層高相差較大時(shí)，防很縫兩制根不上共常精物的機(jī)構(gòu)；框架構(gòu)件的內(nèi)力應(yīng)按設(shè)置和不設(shè)置抗準(zhǔn)地兩種計(jì)極型的不利情況取值。4高層建筑結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1鋼結(jié)構(gòu)的定義鋼結(jié)構(gòu)工程是把鋼材當(dāng)做是結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)成材料，在現(xiàn)在的建筑結(jié)構(gòu)類型中占有非常大的比重。我們常常用

14、于建造跨度比較大、內(nèi)部空間比較大的建筑物，比如說我們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｒ姷降墓I(yè)廠房，以及我們經(jīng)常去的火車站，還有倉庫等建筑。4.2鋼結(jié)構(gòu)焊接焊接是最主要的節(jié)點(diǎn)連接方式。常用的焊接方法有手工電弧焊在熔劑下的自動或半自動埋弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)自動或半自動焊，以及具有特殊用途的熔化嘴電法焊和拉弧式栓釘焊等。焊縫分全焊透(等強(qiáng)連接)焊縫和部分焊透焊縫兩種，一般柱和柱、主梁和柱接頭間用生強(qiáng)連接焊縫。在單個(gè)構(gòu)件中，傳力較大的接頭用等強(qiáng)連接焊縫,其余構(gòu)件可用部分焊透焊縫。6焊接連接的傳力最為充分,不會滑移。接頭中正確施焊的焊縫將強(qiáng)于母材，有較大的強(qiáng)度儲備，且形成剛性的結(jié)構(gòu)。焊接結(jié)構(gòu)有足夠的延性,適宜承受反復(fù)

15、荷載，但由于操作上的原因，焊接連接存在質(zhì)量是否能夠得到保證的問題,因此要求對焊縫進(jìn)行探傷檢查。從力學(xué)上講，焊接連接有殘余應(yīng)力和殘余變形問題，對受壓構(gòu)件局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性都會有明顯的影響，因此，應(yīng)制訂包括焊接次序在內(nèi)的合理焊接工藝,并規(guī)X焊接接頭的形式，包括坡口角度，根部間隙和鈍邊等。栓焊混合連接是指一個(gè)連接接頭同時(shí)采用高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接和焊接兩種連接形式。該連接施工方便,連接可靠，是工地安裝常用的連接方法，常用于梁柱連接接頭等重要部位?；旌线B接在高層鋼結(jié)構(gòu)工程中多用于主梁和柱的接頭。其中,梁的翼緣和柱用焊縫連接,梁的腹板和柱用高強(qiáng)度螺栓連接。由于這種接頭便于在安裝時(shí)先用螺栓進(jìn)行定位，故在

16、國內(nèi)外高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中用得較普遍，是-種較好的連接方法。這種節(jié)點(diǎn)在安裝時(shí)，一般先緊固腹板上的高強(qiáng)度螺栓，在終擰完畢后再焊接梁糞緣上的焊縫。采用這種連接方式時(shí),在設(shè)計(jì)中已考慮了焊接時(shí)溫度對高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力損失的影響。4.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的支撐或墻板經(jīng)常布置在樓電梯周邊的柜架內(nèi)，必須兩個(gè)方向都布置支撐或墻板，使兩個(gè)方向的剛度接近。通常，每列支撐或墻板的寬度為一個(gè)柱距，高度以減少為一層:當(dāng)柱距比較大時(shí)，也可以設(shè)置跨層支撐，即支撐斜桿跨越兩層或兩層以上,跨層支撐可減少支撐斜桿與梁柱連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。中心支撐框架宜采用十字交叉支撐，也可采用人字形支撐或單斜桿支撐，不宜采用K形支撐。對于地震區(qū)的建筑，規(guī)

17、X規(guī)定不得采用K形支撐,原因是K形支撐的斜桿受壓屈曲或受拉屈服時(shí),將使柱子發(fā)生屈曲甚至發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。4.4鋼結(jié)構(gòu)防火鋼材是一種不燃材料，但耐火性能差。它的力學(xué)性能，如屈服點(diǎn)、彈性模量及抗拉強(qiáng)度，隨著溫度的升高而降低,因而會出現(xiàn)強(qiáng)度下降、變形加大等問題。火災(zāi)案例和試驗(yàn)結(jié)果表明.高溫對鋼結(jié)構(gòu)是有影響的。從低碳鋼的試驗(yàn)情況看，溫度在200°C以內(nèi)時(shí)其力學(xué)性能基本不變，溫度在430540C之間時(shí)強(qiáng)度急劇下降，溫度為600°C時(shí)強(qiáng)度很低而不能承擔(dān)荷載。在火災(zāi)中,沒有防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在15min內(nèi)溫度就可能超過600°C。7因此，沒有防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)建筑在發(fā)生火災(zāi)后,很有

18、可能在短時(shí)間內(nèi)因結(jié)構(gòu)承載力下降導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不足以承受外部荷載而發(fā)生破壞或倒塌。5新高層建筑結(jié)構(gòu)新一代的高層建筑物不必單單建立在經(jīng)濟(jì)、功能或風(fēng)格的考慮上，那是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)態(tài)度。高層建筑物可能不僅表現(xiàn)協(xié)作的力量，而且表達(dá)豎向發(fā)展的都市生活。換句話說，單一用途的建筑物可能被多功能的建筑物所取代，都市的基本內(nèi)涵在這里被延伸到建筑物內(nèi)部。這種設(shè)計(jì)態(tài)度轉(zhuǎn)而可以通過以下的方式予以闡發(fā):把不同的建筑形狀沿豎向堆疊,或者互相水平連接,或者把一些建筑放在另一些建筑內(nèi)。新的建筑物類型可能有不規(guī)則的外形和需要復(fù)雜支承結(jié)構(gòu)的復(fù)雜空間組織?；旌瞎δ艿母拍羁赡軙饘Νh(huán)境問題和生活質(zhì)量的關(guān)注，這就引人了綠色建筑。在綠色建筑里，節(jié)能、自然采光、自然通風(fēng)變成首要問題。內(nèi)部的采光豎井或前庭，連同與外墻連接的水平庭院，都作為給內(nèi)部空間提供通風(fēng)和自然采光的輸送通道。外墻上有可煙節(jié)的洞口，它們可能為了遮陽而凹入墻體。由于表面密封.除了透光薄膜或?yàn)V光板之外看不到任何其他東西。在城市豎向發(fā)展的理念之下。8作為都市基本架構(gòu)的自然延伸，公眾活動的豎向交互作用連同其他一些常常帶有很濃個(gè)人色彩，甚至本質(zhì)上非理性的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，都支持這么一種傾向，既從內(nèi)部來打破高層建筑的大塊格局(例如，采用多層吹拔的前庭豎向的造景),又從外部與不同的建筑物作豎向、橫向的連接。6結(jié)語我們通過對高層建筑結(jié)構(gòu)的初步了解，我們知道了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)