【正文】 高層建筑結構方案設計概述作者：日期：高層建筑結構方案設計 概述高層建筑是社會生產(chǎn)的發(fā)展和人類物質(zhì)生活需要的產(chǎn)物，是現(xiàn)代社會工業(yè)化、商業(yè)化和城市化的必然結果?？茖W技術的進步、經(jīng)濟的發(fā)展則為高層建筑的發(fā)展提供了堅實的物質(zhì)基礎。自從第一棟高層建筑以來，當今世界的高層建筑發(fā)展改革開放以來，我國高層建筑如雨后春筍迅速發(fā)展。據(jù)資料統(tǒng)計，建設部系統(tǒng)國有建筑企業(yè)逐年竣工10層以上建筑，從1984年的263萬m2,猛增至1995年的1841萬m2；。見表1：表1 建設部系統(tǒng)國有建筑企業(yè)1984~1995年10層以上建筑竣工簡表年 份198419851986198719881989199019911992199319941995累 計面積2633865366467758888788419288671376184110225棟數(shù)303381514618711702655590653828102112598235占全部面積%到1999年末，全國國有和集體建筑企業(yè)累計建成10層以上建筑估計在3億m2左右（不包括香港、澳門、臺灣地區(qū)）。當今國內(nèi)最高100棟建筑中，1985年建成的僅1棟（深圳國貿(mào)大廈，159m，50層），1989~1995年建成的有14棟，而1996~1998年建成的有85棟。1990年建成的北京京廣中心是我國大陸首棟突破200m的超高層建筑，1996年的深圳地王大廈其高度已達325m、81層，1998年的上海金茂大廈又有突破，達421m、88層。國內(nèi)已建成最高100棟建筑見附錄（截至1998年末）。對高層建筑的界定，目前全世界還沒有一個統(tǒng)一標準。例根據(jù)聯(lián)合國科教文組織所屬的世界高層建筑委員會的建議，一般將9層以上（含9層）稱為高層建筑，并劃分為以下四類：916層，高度不超過50m；1725層，高度不超過75m；2640層，高度不超過100m； 40層以上，高度超過100m；我國171。高層建筑混凝土結構技術規(guī)程（JGJ32002）187。；171。高層民用建筑設計防火規(guī)范（GB5004595）187。2001年版規(guī)定10層及10層以上的居住建筑、建筑高度超過24m的公共建筑為高層建筑； 高層建筑結構作用效應的特點 高層建筑結構的受力特點建筑結構所受的外力（作用）主要來自垂直方向和水平方向。在低、多層建筑中，由于結構高度低、平面尺寸較大，其高寬比很小，而結構的風荷載和地震作用也很小，故結構以抵抗豎向荷載為主。也就是說，豎向荷載往往是結構設計的主要控制因素。建筑結構的這種受力特點隨著高度的增大而逐漸發(fā)生變化。在高層建筑中，首先，在豎向荷載作用下，各樓層豎向荷載所產(chǎn)生的框架柱軸力為：邊柱 N=wlH/2h中柱 N=wlH/h即框架柱的軸力和建筑結構的層數(shù)成正比；邊柱軸力較中柱小，基本上與其受荷面積成正比。就是說，由各樓層豎向荷載所產(chǎn)生的累積效應很大，建筑物層數(shù)越多，底層柱軸力越大；頂、底層柱軸力差異越大；中柱、邊柱軸力差異也越大。其次，在水平荷載作用下，作為整體受力分析，如果將高層建筑結構簡化為一根豎向懸臂梁，、：水平均布荷載 Mmax=qH2/2倒三角形水平荷載 Mmax= Qh3/3即結構底部產(chǎn)生的傾復彎矩與樓層總高度的平方成正比。就是說，建筑結構的高度越大，由水平作用對結構產(chǎn)生的彎矩就更大，較豎向荷載對結構所產(chǎn)生的累積效應增加更快，其產(chǎn)生的結構內(nèi)力占總結構內(nèi)力的比重越大，從而成為結構強度設計的主要控制因素。 高層建筑結構的變形特點在豎向荷載作用下，高層建筑結構的變形主要是豎向構件的壓縮變形。由于各豎向構件的應力大小不同，因而其壓縮變形大小也不同。在鋼筋混凝土結構中，由于在施工過程中的找平，同時由于各豎向構件的基底軸力大小不同，若不對基底應力進行調(diào)整，也可能導致基礎產(chǎn)生不均勻沉降。在水平荷載作用下，高層建筑結構最大的頂點位移為：水平均布荷載 △max=qH4/8EI倒三角形水平荷載 △max= 11qH4/120EI式中EI為結構的從以上可看出,結構頂點位移與其總高度的四次方成正比。則又比水平荷載作用下的內(nèi)力累積效應增加更快，這就說明，高層建筑結構對結構的水平側移是相當敏感的。水平荷載作用下所引起的結構內(nèi)力及側移是高層建筑結構設計的主要控制因素。結構應具備較大的抗側剛度，而不僅僅滿足強度、剛度和穩(wěn)定要求。在地震區(qū)，還要求建筑物能抗震。由于地震是一種瞬時作用，但作用所產(chǎn)生的效應非常強烈，故結構的過大變形是不可避免的（這種變形在不發(fā)生地震時是不允許的），這就要求結構有較好的延性，能在強烈地震作用下結構雖產(chǎn)生較大變形而不破壞?；A的轉動 高層建筑結構的PΔ效應如上所述，高層建筑結構在水平荷載作用下將產(chǎn)生側移，由于側移而引起豎向荷載的偏心又使結構產(chǎn)生附加內(nèi)力，這個附加內(nèi)力反過來又又使結構的側移進一步加大。對非對稱結構，平移與扭轉耦聯(lián)，當結構產(chǎn)生扭轉時，豎向荷載的合力和抗側力構件的形心將產(chǎn)生偏心也會產(chǎn)生附加內(nèi)力。這種由于豎向荷載作用下所產(chǎn)生的內(nèi)力和側移增大的現(xiàn)象稱之為PΔ效應。 高層建筑結構構件的受力特點構成高層建筑結構的主要受力構件有剪力墻、框架柱、梁和樓板。剪力墻、框架柱是豎向構件，它們是形成結構抗側力剛度的最主要構件，承擔著整個結構的豎向荷載和絕大部分水平荷載；框架梁、樓板是水平構件，結構各樓層的豎向荷載通過樓板傳至框架梁再傳給豎向構件，同時，對結構抗側力剛度也有貢獻頗的框架梁，還和豎向構件一起承擔整個結構的荷載水平荷載；次外，有些高層建筑結構還有斜向構件，它們對結構抗側力剛度貢獻很大，對構件之間的傳力起著重要作用，除自重外，一般不直接受荷。 高層建筑結構的設計要求強度剛度穩(wěn)定性 控制結構側移大小保證建筑使用功能和安全的主要相關因素。1. 結構在水平陣風作用下，因為加速度α=A（2πf），當頻率f為定值時，α與振幅A成正比，因此結構的側移幅值的大小要受限制。2．過大的側移易使隔墻、圍護結構以及高級裝修受損，地震或陣風引起的過大變形也會造成電梯軌道無法使用。3．結構過大的變形會引起結構的二階效應，造成結構桿件產(chǎn)生附加內(nèi)力，影響結構承載力。雖然受上述因素的影響，但考慮到鋼結構自身具有很強的變形能力而且在鋼結構中采用的隔墻、裝飾材料又多為較輕，采用的幕墻、懸掛板、鋁板等變形能力較強，所以鋼結構JGJ9998標準中規(guī)定的限值標準要比鋼筋混凝土結構規(guī)定的限制標準寬松。 我國現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的主要限定標準1．風荷載作用下房屋頂點質(zhì)心位置的側移應H/500（總高），各層質(zhì)心層間位移H/400（總高）。2．地震作用下，第一階段抗震設防時在多遇地震作用下結構層間位移應≤h/對于框架—支撐（剪力板）體系中總框架所承擔的地震剪力不得小于結構底部總剪力的25%，當對結構平面的兩個主軸方向分別計算水平地震效應時，要求角柱和兩個方向的支撐（或剪力墻板）所共有的柱構件應在這地震剪力的基礎上再將桿件內(nèi)力提高30%進行設計。3．在第二階段抗震設計時結構層間位移應≤h/70，層間側移延性比（指結構層間最大側移與其彈性側移之比）不得超過下表中限值：結構種類結 構 體 系層間側移延性比全鋼結構框架體系框架偏心支撐框架中心支撐鋼骨結構型鋼—混凝土框架鋼—混凝土混合4．風荷載作用下順風和橫風向頂點最大加速度應滿足以下要求：對公共建筑 aw（或atr）≤對公寓建筑 aw（或atr）≤5．園筒形平面的高層建筑容易因橫向風引起的渦流共振，為防止橫風向引起共振，因此JGJ9998中采用房屋頂部風速來限制要求：頂部風速Vn Ucr 臨界風速 Vcr = 5D/T1(T1為直徑D的結構基本自振周期)當滿足不了Vn Ucr時應增大結構剛度或進行橫風向渦流脫落試驗。