1 高層建筑結構受力性能對于一個建筑物的最初的方案設計,建筑師考慮更多的是它的空間組成特點,而不是詳細地確定它的具體結構。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩定和水平方向的穩定都是非常重要的,由于建筑物是由一些大而重的構件所組成,因此結構必須能將它本身的重量傳至地面,結構的荷載總是向下作用于地面的,而建筑設計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關系,所以,在建筑設計的方案階段,就必須對主要的承重柱和承重墻的數量和分布作出總體設想。對于低層、多層和高層建筑,豎向和水平向結構體系的設計基本原理都是相同的,但是,隨著高度的不斷增加,豎向結構體系成為設計的控制因素,其原因有兩個:其一,較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒;其二,側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比,側向荷載對建筑物的效應不是線性增加的,而隨建筑高度的增高迅速增大。例如,在所有條件相同時,在風荷載作用下,建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比,而其頂部的側向位移與高度的四次方成正比,地震的作用效應更加明顯。在高層建筑中,問題不僅僅是抗剪,而更重要的是整體抗彎和抵抗變形,可見,高層建筑的結構受力性能與低層建筑有很大的差異。
2 高層建筑結構設計中的扭轉問題建筑結構的幾何形心、剛度中心、結構重心即為建筑三心,在結構設計時要求建筑三心盡可能匯于一點郡三心合一。結構的扭轉問題就是指在結構設計過程中未做到三心合一,在水平荷載作用下結構發生扭轉振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用而發生的扭轉破壞,應在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局,盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下,高層建筑扭轉作用的大小取決于質量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻,減輕結構的扭轉振動,應使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下,由于城市規劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制,高層建筑不可能全部采用簡單平面形式,當需要采用不規則L形、T形、十字形等比較復雜的平面形式時,應將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規范允許的范圍之內,同時,在結構平面布置時泣盡可能使 結構處于對稱狀態。
3 高層建筑結構設計中的側移和振動周期建筑結構的建筑結構的振動周期問題包含兩方面:()1合理158高層建筑的自振周期汀1)宜在下列范圍內:框架結構:T1(=0.1一0.51N)框一剪、框筒結構:lT=(0.80一0.1)2N剪力墻、筒中筒結構T:1邢.40一0.1)0NN為結構層數。結構的第二周期和第三周期宜在下列范圍內:第二周期:犯二(13一1巧T)1;第三周期:竹《115一In)TI。.32共振問題當建筑場地發生地震時,如果建筑物的自振周期和場地的特征周期接近,建筑物和場地就會發生共振。因此在建筑方案設計時就應針對預估的建筑場地特征周期通過調整結構的層數選擇合適的結構類別和結構體系,擴大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別,避免共振的發生。.33水平位移特征水平位移滿足高層規程的要求,并不能說明該結構是合理的設計。同時還需要考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因為結構抗震設計時,地震力的大小與結構剛度直接相關,當結構剛度小,結構并不合理時,由于地震力小則結構位移也小,位移在規范允許范圍內,此時并不能認為該結構合理。因為結構周期長、地震力小并不安全;其次,位移曲線應連續變化,除沿豎向發生剛度突變外,不應有明顯的拐點或折點。一般情況下剪力墻結構的位移曲線應為彎曲型;框架結構的位移曲線應為剪切型;框一剪結構和框一筒結構的位移曲線應為彎剪型。4 位移限值、剪重比及單位面積重度4.,位移限值在結構整體計算的輸出結果中,結構的側移(包括層間位移和頂點位移)是一個重要的衡量標準,其數值大小從一個側面反映出結構的整體剛度是否合適,過大或過小都說明結構剛度過小或過大(或者體現結構兩個主軸方向的剛度是否均衡),以致要引起設計者對其中的結構體系選擇、結構的豎向及平面布置合理性的再思考,F行規范中將頂點位移與層間位移并重對待,經實踐探索并參照國外經驗,得出的結論為:高層建筑尤其是超高層建筑,頂點位移限值決定的不僅是其數值大小而且還有其振動頻率,人的舒適感覺與振動頻率有關而與振動幅度(絕對位移)關系不大,即擺動頻率不太高時就可滿足人們的舒適度;其次,防止結構由于變形過大而可能遭受損壞或破壞的控制因素是層間相對位移,而其限值在現行規范中似偏嚴,可予放松。同一結構用不同的計算程序計算,如果其層間位移數值差異很大,則有可能是其“層間位移”內涵不同所致,有的是指樓層形心位移,有的則專指考慮樓層轉動后的最大角點位移,后者通常比前者要大,形心位移對規則建筑有意義,而角點位移則更能反映結構樓層的真實位移,因此角點位移是結構工程師必須關注的一個數值。.42剪重比及單位面積重度結構的剪重比 (也即水平地震剪力系數從即四心是體現結構在地震作用下反應大小的一個指標,其大小主要與結構地震設防烈度有關,其次與結構體型有關,當設防烈度為7、8、9度時,剪重比分別為aoZl,.0024,.004;0 扭轉效應明顯或基本周期<35.。的結構剪重比則分別丈.00160.,0犯,0.0640單位面積重度,產‘從儀Nlm勺是衡量結構構件(下轉79頁)萬方數據差的精度優于國際一流大港的標準2c0m,并達到了集裝箱船到港,42小時內必須離港的世界一流大港的標準