高層建筑結構分析探討

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摘要：高層建筑結構隨著時代的發(fā)展，規(guī)模和投資力度都大大增加，高層建筑的設計也變得越來越重要，高層建筑的結構設計也成為結構工程設計師設計工作的主要重點和難點。本文就高層建筑的發(fā)展，介紹了概念設計的一些知識，并通過對高層建筑受力特點的分析，探討了高層建筑結構中概念設計的有關問題。 

關鍵詞：建筑結構、概念設計、設計特點  一、高層建筑結構設計特點  1.水平荷載成為決定因素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。  2.軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調(diào)整；另外對構件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。  3.側(cè)移成為控制指標。與較低樓房不同，結構側(cè)移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側(cè)移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側(cè)移應被控制在某一限度之內(nèi)。  4.結構延性是重要設計指標。相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當?shù)拇胧?，來保證結構具有足夠的延性。  二、概念設計  1.概念設計的含義及其重要性  概念設計是對結構設計工程師和建筑師的一種能力的印證，它需要結構設計工程師和建筑師們在進行建筑設計時，有效的把握建筑的結構體系，不經(jīng)過計算，就能從整體的角度對建筑結構的總體布置和抗震措施進行指導，僅從平面和立面的形式就可以對設計空間綜合的進行協(xié)調(diào)，從而使最后的空間定形，無論是在功能要求，還是形式的需要方面都能與所設計的平、立面形式相吻合。當然，如果建筑師或者結構工程師想要進行結構的概念設計，他們首先就需要深刻的理解高層建筑結構的風作用、地震作用、場地土特征、結構的真實效應還有地震作用等以及其他的一些相關的基本概念。  計算機結構體系設計一體化在現(xiàn)代社會基本上已經(jīng)進入了全面應用的階段，但是大部分工程設計師卻沒及時發(fā)現(xiàn)計算機結果明顯不合理甚至還會存在很多的錯誤，尤其是現(xiàn)在大部分的工程師都是上世紀成就的人才，他們的年齡與大學中學到的那些孤立的概念已經(jīng)與現(xiàn)代社會脫軌了，如果繼續(xù)一味的根據(jù)自己曾經(jīng)的知識來判斷現(xiàn)代的建筑結構，根本不會有什么創(chuàng)新的結果。概念設計就是展示先進思想的關鍵，工程師可以根據(jù)自己對建筑結構的把握，有意識的處理好結構與結構，還有結構與構件之間的關系，在特定的空間中，用整體的設計概念來完成結構的總體方案。概念設計可以彌補結構設計理論與計算理論中存在的許多缺陷，還能實現(xiàn)現(xiàn)實存在的許多無法計算的結構構件的設計。  2.結構概念設計的原則  在進行結構概念設計時，應該遵循的第一個原則就是全面考慮的原則，要巨無細遺的考慮到建筑設計中的方方面面，包括建筑結構和施工方面的考慮，從整體到局部都要進行很好的把握，更不能忽視他們之間的關系，還有建筑完成后帶給使用者在視覺感受、功能使用方面、成本預算方面等的考慮。  從實際出發(fā)，結合當?shù)氐牡赜蛐蕴攸c，根據(jù)建筑即將坐落地區(qū)的自然條件、人文條件、歷史文化、資源和材料限制等方面從現(xiàn)實的角度考慮建筑的結構概念。  高層建筑擁有自己的自重特點，要從減輕自重的原則出發(fā)，建筑結構所承受的荷載大部分都是來自建筑物本身的自重，減輕自重也就減輕了結構的負荷。要讓建筑結構合理受力，荷載均勻分布，多跨連續(xù)、空間作用、剛性連接、超靜定的受理系統(tǒng)都可以使結構的受力狀況均勻分布，分析結構的受力狀況時，還要從各部分結構構件的直接受力狀況和整體結構的宏觀受力狀況分析。材料盡可能的選用以軸向應力為主的受力狀態(tài)，合理的組織構件的截面。  優(yōu)先選型，就是要優(yōu)化結構體系，根據(jù)實際條件優(yōu)化選擇合適的基本構件，并確定他們的聯(lián)系，確定構件的基本支撐做法。  3.高層建筑結構的抗震設計  所謂的高層建筑，我們完全看以把它想成是一個從地面拋向空中的懸臂掛件，它的高度就決定了這種建筑承受的水平的和豎向的荷載都要強于一般建筑物，對他的抗彎矩和抗剪力的能力在概念設計階段就要考慮細致，高層建筑特殊的受力特點不同于低層建筑，高度越高，水平荷載越強，例如地震和風力產(chǎn)生的作用就會越強，因此在地震強區(qū)若想建造高層建筑，就必須要保證所有的結構，包括結構細部都具有足夠的剛度和強度，還必須具有很強的抗震能力。  在框架結構體系中，梁柱的節(jié)點是這種結構體系的組合點，因此在增強抗震能力的環(huán)節(jié)中，節(jié)點也就成了關鍵部件，如果梁柱節(jié)點遭到破壞，那么框架結構的剪切脆性就會破壞，在節(jié)點處相交的梁和柱就會失效，“強柱弱梁”、“強節(jié)點弱構件”、“強剪弱彎”的設計原則，可以保證框架結構體系在地震的壓力下還能保證足夠強的延性和承載力，構造配筋、柱的軸壓比，還有截面尺寸的選擇，都可以影響到框架結構的抗震能力，尤其是對于節(jié)點的構造措施。  建筑的平面形狀也在很大程度上影響著建筑結構的抗震能力，平面形狀越規(guī)正，抗震能力就會越強，所以在進行高層建筑時，盡可能的避免過大的外延或者是內(nèi)收。剪重比是為了考慮結構的抗震分析中高階振形對結構的影響，《建筑抗震技術規(guī)范》以強制性的條文對結構各樓層水平地震作用下的最小剪力提出了要求。  三、高層建筑的設計特點  由于高層建筑物建造過程及使用過程中受到的影響因素，與其它普通建筑物或者低層建筑物受到的影響程度和影響因素不同，所以，對于高層建筑的設計必須掌握高層建筑物的設計特點，有針對性的，科學的制定建筑設計方案。  一方面，對具有一定的高度的建筑物來說，豎向荷載基本上是一個定值。然而地震和風荷載的作用數(shù)值是隨著結構自身的動力特性的不同產(chǎn)生不同幅度的變化。其次，縱向的變形是不能忽視的，必須得到重視。因為在高層建筑物當中，建筑物的豎向荷載的數(shù)值非常大。較大的豎向荷載數(shù)值會在柱中引起較大的軸向變形。也就會間接造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小。再次，高樓的結構更柔和會讓高樓結構在地震的作用下發(fā)生更大的變形。為了讓建筑物可以具有較強的變形能力，避免建筑物發(fā)生倒塌，就需要在結構上采取恰當?shù)姆绞?，來確保建筑結構可以具有足夠的變形能力。  結語  由此可以看出，我們必須依照高層建筑物自身的特點有針對性的進行建筑設計。只有這樣才可以確保工程可以在正確的指引下逐漸完成，并且可以從最基本的方面提高建筑質(zhì)量。  人們從開始建筑設計開始，就不斷的在進行實踐活動，雖然會遇到各種各樣的問題，但也正是在解決這些問題的過程中，人類才會不斷進步，關于高層建筑結構，無論是在設計，還是在計算方面都是一項復雜的工作，這就要求設計師既要有扎實的理論功底，還要有具體的實踐基礎，再加上一定的概念設計，只有這樣才可以設計出美觀、使用、高效，又具有創(chuàng)造性的高層建筑。