淺談高層建筑結構設計

1、.淺談高層建筑結構設計摘要：我們的科學技術越來越發(fā)達，進而我們的建筑業(yè)也催生出許許多多新的結構和施工技藝。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構也有了新的發(fā)展，本文就現(xiàn)代的一些高層結構的設計進行分析和了解。關鍵詞：高層建筑結構設計鋼結構荷載結構構件0引言從古代以來，人類在建筑上就有向高處發(fā)展的構想，并通過思考和研究，將高層建筑從夢想照進現(xiàn)實。古埃及的金字塔凝結了多少古人的智慧結晶。 21世紀以來，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構的設計越來越先進，水平越來越高。接下來就我們一起了解高層建筑結構

2、的設計吧。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。按照我國建設部最近批準的行業(yè)標準，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高層建筑結構設計中常見結構2.1承重墻結構承重墻結構在芝加哥19世紀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構。傳統(tǒng)的高層砌體建筑物是巨大的重力結構,在那里墻體被理解為獨立地發(fā)揮作用，它們的作用并不被看成整個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)過工程設計的薄墻砌體結構才被引人歐洲。承重墻結構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一步劃分空間的隔墻。15層或15層以上的磚、混凝土砌塊、預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，也可以參差錯列,它們可以相互交叉，也可以形成單個墻柱作為

4、獨立構件發(fā)揮作用。承重墻通常既承受重力又承受側向力。2.2核心筒結構在20世紀60年代,Metabolists把沿著核心筒的豎向流通和服務空間清楚地分隔開，他的思想影響了許多帶有外露式服務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構的例子還可以從20世紀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一步的分隔，因而在這里，豎向流通和其他服務管線需要集中設置在豎井里,然后水平地引導至每一樓層。2.3橋式結構20世紀年代的設計師們把橋式構的想法變成現(xiàn)實.他們關注大規(guī)模城市建筑，并想把首層地面和服務空間與社會活動隔離開。橫跨兩個豎向支承的大跨度結構有無數(shù)種可能的解決方案。與橋式結構的概緊密聯(lián)系的是核心簡結構，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，一些懸掛結構也以橋的原理為基礎，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上，并通過下列結構將空間向連通起來，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用到高層建筑而不僅僅是用于屋蓋結構,實際上是20世紀的事,盡管涉及懸掛概念的實驗可以追溯到20世紀20年代。這個時期的結構主義者發(fā)現(xiàn)了大量新的支承結構體系，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，沒有粗大結構構件所產(chǎn)生的視覺障礙。與框架結構的承壓柱相比,用纜索來懸吊樓板只需要大約1/6的材料，這個事實對設計者來說是個新的挑戰(zhàn)。除此之外,這種類型的結構在其底部可以形成個沒有柱子的空間。從巨大的中央塔頂部伸出龐大的懸臂構件，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件懸掛在支承結構上的。典型的懸掛體系應用的是剛性核心簡原理(有外伸梁的單個核心簡或多個核心簡巨型框架、樹狀框架等)、牽索桅桿原理和整體X拉或空間網(wǎng)絡原理。33高層建筑結構的受力特點與基本要求3.1水平作用是高層建筑結構設計的主要控制因素在高層建筑設計中，高層建筑結構設計是很重要的一環(huán)。高層建筑結構不單單是要承受來自豎向的荷載(比如說一些結構的自身重量、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)生的結構側向位移對建筑使用功能或結構可靠度的影響。4在對高層建筑進行結構的合計的過程中，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系而進行變化的。然而因為建筑物所受到的水平荷載所導致的彎矩，隨著建筑物高度的增大而呈現(xiàn)出一種平方的增大的關系。3.2結構剛度是高層建筑結構設計的關鍵因素要設計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)引起的內力和制房屋的側向位移就要要求所使用的結構具有非常大的強度和剛度。3.3高層建筑結構設計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，又滿足抗風抗震要求，這是最佳設計的主要條件之一。3.4選擇有利于抗側力的建筑體型在按照建筑的不同功能和不同層數(shù)選取合理的結構型式、結構體系，并考慮其最佳高寬比的同時，還必須選擇有利于抗風抗震的建筑體型，且宜選用風作用效應較小的平面形狀。比如說，雙層圓形簡中簡結構，在承受來自任何方向的風力或地震作用時，所有柱子總的最大內力基本相同，從而可以充分發(fā)揮材料性能。還有就是方型塔式簡體結構，雖然在水平作用下，各柱的內力有些差異，但由于縱橫兩個方向質心與重心重合，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構，當承受水平作用時，其結構受力還是比較好的。其他如

10、由八角形、三角形等平面組成的體型，對抗風度抗震均較有利，各有其特點可取。3.5高層建筑結構設計應統(tǒng)籌布局高層建筑結構設計，應從總體上注意概念設計，我們應該把重放在結構類型的選取上，還有就是需要確定好結構體系，在進行建筑物的抗震設計的過程中，我們應該把結構的平面布局做的有規(guī)則一些，我們還要選擇一些抗風性能好而且相對來說比較經(jīng)濟環(huán)保的結構我們需要特別認真對待的一點是，我們必須要對構造采取有效的加強措施，這樣才能使我們所要設計的建筑物和構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。高層建筑結構設計與建筑設計密不可分，不同的結構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，在結構設計中，應注意如何有效地利用電梯，組織方便、安全而又經(jīng)濟的公共交通體系。其他如供水、供電、通訊設備，防火、防煙、疏散、安全措施以及服務設施、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，我們在進行新的結構的設計時，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構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行處理。其中包括工程技術問題、建筑藝術問題、投資經(jīng)濟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，認識和掌握這些特點，對進行一些層數(shù)比較高進行設計是特別重要的。3.6防震縫布置震害調查表明，設有防震縫的建筑，地震時由于縫寬不夠，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造帶來困難，故多高層鋼筋混凝上結構房屋，宜選用合理的建筑結構方案而避免設置防抗震縫。當建筑平面突出部分較長，結構剛度及荷載相差懸殊或房屋有較大錯層時，可設置防震縫。設置抗震縫時，縫的最小寬度應符合以下要求。(1)框架結構(包括設置少置抗震墻的框架結構)房屋的防震縫寬度，當高度不超過15m時不應小于100mm

13、;高度超過15m時，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)框架抗震墻結構房屋的防震縫寬度不應小于規(guī)定數(shù)值的70%，抗震墻結構房屋的防震縫寬度不應小于規(guī)定數(shù)值的50%，且均不宜小行100mm。防震繼兩側結構類型不同時，宜按需要較觀防展縫的結構類型和權低房屋高度確定縫寬，%理、9度柜架結構房屋防震縫兩側結構層高相差較大時，防很縫兩制根不上共常精物的機構；框架構件的內力應按設置和不設置抗準地兩種計極型的不利情況取值。4高層建筑結構的鋼結構設計4.1鋼結構的定義鋼結構工程是把鋼材當做是結構中的主要構成材料，在現(xiàn)在的建筑結構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、內部空間比較大的建筑物，比如說我們日常生活中常常見到的工業(yè)廠房，以及我們經(jīng)常去的火車站，還有倉庫等建筑。4.2鋼結構焊接焊接是最主要的節(jié)點連接方式。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、二氧化碳氣體保護自動或半自動焊，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連接焊縫。在單個構件中，傳力較大的接頭用等強連接焊縫,其余構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于母材，有較大的強度儲備，且形成剛性的結構。焊接結構有足夠的延性,適宜承受反復

15、荷載，但由于操作上的原因，焊接連接存在質量是否能夠得到保證的問題,因此要求對焊縫進行探傷檢查。從力學上講，焊接連接有殘余應力和殘余變形問題，對受壓構件局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性都會有明顯的影響，因此，應制訂包括焊接次序在內的合理焊接工藝,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連接接頭同時采用高強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接在高層鋼結構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度螺栓連接。由于這種接頭便于在安裝時先用螺栓進行定位，故在

16、國內外高層建筑鋼結構中用得較普遍，是-種較好的連接方法。這種節(jié)點在安裝時，一般先緊固腹板上的高強度螺栓，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,在設計中已考慮了焊接時溫度對高強度螺栓預拉力損失的影響。4.3鋼結構的設計結構中的支撐或墻板經(jīng)常布置在樓電梯周邊的柜架內，必須兩個方向都布置支撐或墻板，使兩個方向的剛度接近。通常，每列支撐或墻板的寬度為一個柱距，高度以減少為一層:當柱距比較大時，也可以設置跨層支撐，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,將使柱子發(fā)生屈曲甚至發(fā)生嚴重損壞。4.4鋼結構防火鋼材是一種不燃材料，但耐火性能差。它的力學性能，如屈服點、彈性模量及抗拉強度，隨著溫度的升高而降低,因而會出現(xiàn)強度下降、變形加大等問題。火災案例和試驗結果表明.高溫對鋼結構是有影響的。從低碳鋼的試驗情況看，溫度在200°C以內時其力學性能基本不變，溫度在430540C之間時強度急劇下降，溫度為600°C時強度很低而不能承擔荷載。在火災中,沒有防火保護的鋼結構構件在15min內溫度就可能超過600°C。7因此，沒有防火保護的鋼結構建筑在發(fā)生火災后,很有

18、可能在短時間內因結構承載力下降導致結構不足以承受外部荷載而發(fā)生破壞或倒塌。5新高層建筑結構新一代的高層建筑物不必單單建立在經(jīng)濟、功能或風格的考慮上，那是傳統(tǒng)的設計態(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，都市的基本內涵在這里被延伸到建筑物內部。這種設計態(tài)度轉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。新的建筑物類型可能有不規(guī)則的外形和需要復雜支承結構的復雜空間組織?；旌瞎δ艿母拍羁赡軙饘Νh(huán)境問題和生活質量的關注，這就引人了綠色建筑。在綠色建筑里，節(jié)能、自然采光、自然通風變成首要問題。內部的采光豎井或前庭，連同與外墻連接的水平庭院，都作為給內部空間提供通風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.除了透光薄膜或濾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人色彩，甚至本質上非理性的設計觀點，都支持這么一種傾向，既從內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結語我們通過對高層建筑結構的初步了解，我們知道了高層建筑結構設計