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高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

2010-04-23 13:54  徐曉琴  【  【打印】【我要糾錯】

   摘要:文章分析了高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點,以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理論為基礎(chǔ),以現(xiàn)行的國家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為根據(jù),對高層建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了深入的分析研究,得出了一些具有實用價值的結(jié)論,對高層建筑的優(yōu)化設(shè)計具有很大的實用意義。

  關(guān)鍵詞:高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;軸向形變;側(cè)移

  我國改革開放之后,由于綜合國力的不斷提高,房地產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,建筑業(yè)已成為社會支柱產(chǎn)業(yè)之一。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,加之土地資源寶貴,所以高層建筑更是有如雨后春筍般迅速發(fā)展,數(shù)量劇增。而目前的工程設(shè)計領(lǐng)域中,設(shè)計人員忙于應(yīng)付大量的具體工作,往往不夠重視結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性問題,導(dǎo)致同一工程由不同的人設(shè)計其土建造價可能差別很大,造成不必要的浪費。這對于經(jīng)濟(jì)實力并不發(fā)達(dá)、尚處于第三世界發(fā)展中國家的中國來說是一個亟待解決的問題。

  一、建筑結(jié)構(gòu)特點分析

  (一)軸向形變不容忽視

  由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知,計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件位移的公式為:

  通常在低層建筑結(jié)構(gòu)分析中,只考慮彎矩項,因為軸力項影響很小,而剪切項一般可不考慮。但對于高層建筑結(jié)構(gòu),情況就不同了。由于層數(shù)多,高度大,軸力值很大,再加上沿高度積累的軸向變形顯著,軸向變形會使高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)值與分布產(chǎn)生顯著的改變。

  軸向變形的影響在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)當(dāng)考慮,但是,結(jié)構(gòu)所受的豎向荷載并不是在結(jié)構(gòu)完成之后一次施加的。特別是,占豎向荷載絕大部分的結(jié)構(gòu)自重是在施工過程中逐層施加的,軸向壓縮變形已在施工過程中分階段完成,并在各樓層標(biāo)高處找平,實際上并不完全類似于以上分析的情況。

  所以,在考慮軸向變形時,要考慮施工過程中分層施加豎向荷載這一因素,不能簡單的按一次加載考慮,否則會出現(xiàn)一些不合理的計算結(jié)果,如鄰近剪力墻和筒體的上層框架柱,在豎向荷載作用下出現(xiàn)拉力;上層框架梁出現(xiàn)過大彎矩和剪力等。另外,隨著樓層的增加,水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大。

  (二)側(cè)移成為控制指稱

  與低層建筑不同,結(jié)構(gòu)側(cè)移己成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵因素,隨著樓層的增加,水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大。結(jié)構(gòu)頂點側(cè)移與建筑高度H的四次方成正比。

  水平均布荷載:

  設(shè)計高層結(jié)構(gòu)時,不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度,能夠可靠地承受風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力;還要求具有足夠的抗側(cè)剛度,使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某一限度之內(nèi),保證良好的居住和工作條件。這是因為高樓的使用功能和安全,與結(jié)構(gòu)側(cè)移的大小密切相關(guān):

  1.使用人員的正常工作與生活。當(dāng)高樓在陣風(fēng)作用下發(fā)生振動的頻率f為一定值時,結(jié)構(gòu)振動加速度a與結(jié)構(gòu)側(cè)移幅值A(chǔ)成正比:a=A(2πf)。因而控制側(cè)移幅值的大小成為保證高樓良好的居住和工作條件的關(guān)鍵因素。

  2.過大的側(cè)向變形會使隔墻、圍護(hù)墻以及它們的高級飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞,此外,也會使電梯因軌道變形而不能正常運行。

  3.高樓的重心位置較高,過大的側(cè)向變形將使結(jié)構(gòu)因P-△效應(yīng)而產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力,甚至因側(cè)移與應(yīng)力的惡性循環(huán)導(dǎo)致建筑物倒塌。

  (三)結(jié)構(gòu)延性是高層建筑設(shè)計重要性質(zhì)

  延性是指構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服后,在承載能力不降低或基本不降低的情況下,具有足夠塑性變形能力的一種性能,一般用延性比來表示。對于受彎構(gòu)件來說,隨著荷載增加,首先受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫,表現(xiàn)出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服,受壓區(qū)高度減小,受壓區(qū)混凝土壓碎,構(gòu)件最終破壞。從受拉鋼筋屈服到壓區(qū)混凝土壓碎,是構(gòu)件的破壞過程。在這過程中,構(gòu)件的承載能力沒有多大變化,但其變形的大小卻決定了破壞的性質(zhì)。是鋼筋砼受彎構(gòu)件的M-Δ(Φ)曲線,Δy是屈服變形,Δu是極限變形。提高延性可以增加結(jié)構(gòu)抗震潛力,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。高層建筑相對低層結(jié)構(gòu)而言,結(jié)構(gòu)設(shè)計更柔一些,如果遇到地震,震動作用下的建筑結(jié)構(gòu)變形更大一些。為了做好防震設(shè)計,避免倒塌,建筑在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力,特別需要在構(gòu)造上采以適當(dāng)?shù)脑O(shè)計,確保建筑設(shè)計具有很好的延性。

  二、建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析

  建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性包括內(nèi)容注重經(jīng)濟(jì)性的建筑設(shè)計包含非常廣泛的內(nèi)容。傳統(tǒng)中只強(qiáng)調(diào)改進(jìn)建筑材料保溫性、改善建筑體形系數(shù)、提高建筑材料的氣密性等一系列節(jié)能降耗措施,現(xiàn)在建筑隨著形勢的發(fā)展,人們對居住環(huán)境不僅從結(jié)構(gòu)性出發(fā),更要在建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性角度考慮,如空間組織、技術(shù)組織、結(jié)構(gòu)設(shè)置、能源與資源利用,以及建筑循環(huán)再利用等方面全面地確立經(jīng)濟(jì)性的原則、方法。

  建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性就是只以較少的成本來獲得最大的效用。其中由美國建筑師、工程師R·B·富勒提出的“少費多用”原則是較常用普通的原則。“少費多用(more withless)”原則的含義是,憑借有效的手段或方式,利用最小化的量的材料、資源來投資,目的在于獲得盡可能大的發(fā)展效益。“少費多用”原則,順應(yīng)目前的發(fā)展形勢,在建筑堅持可續(xù)費發(fā)展的思路上,該原則是一條重要的、有效的、節(jié)約型的設(shè)計方式。

  在富勒的實踐中,“少費多用”原則最具代表性地表現(xiàn)在他對空間結(jié)構(gòu)及建材應(yīng)用的創(chuàng)意中。他的短桿網(wǎng)架穹隆結(jié)構(gòu)體系(geodesic dome )被稱為人類迄今為止最輕、最高效、最為有力的空間圍合手段,在造型、尺寸、材料選用上具有很大的靈活性,且造價低廉、營造方便。另外,F(xiàn)·埃斯克里格的自成型結(jié)構(gòu)、T·達(dá)蘭德對摩天樓張力結(jié)構(gòu)的探索也都從不同側(cè)面詮釋了“少費多用”原則。

  “少費多用”原則還體現(xiàn)在建筑空間組織、利用的高效化方面。原則堅持對平面面積的充分利用,還注重三維空間的挖掘。比如某市圖書館設(shè)計中提出了“ 模塊式”圖書館的創(chuàng)作思路,將圖書館劃分成不同的功能模塊,采用不同的層高、柱網(wǎng),進(jìn)行類比布局。這樣可以減少“三統(tǒng)一”標(biāo)準(zhǔn)空間所造成的浪費,充分發(fā)揮空間效益。某高效空間住宅的設(shè)計中則對廚房、廁所的上區(qū)、臥區(qū)上下等潛在空間進(jìn)行了有效的利用。將每戶主、次二個開間設(shè)置為不同層高,對應(yīng)于不同的功能使用要求,大大提高了住宅空間的使用效益。

  三、結(jié)語

  對于經(jīng)濟(jì)實力還不發(fā)達(dá)的中國,對于目前設(shè)計人員按傳統(tǒng)設(shè)計法造成財產(chǎn)大量浪費的現(xiàn)狀,推行能實現(xiàn)資源合理分配、利用,節(jié)約建筑造價的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法是勢在必行的,同時也是刻不容緩的。建筑發(fā)展是一個高效化、集約化的綜合系統(tǒng)工程,建筑設(shè)計者必須從當(dāng)今經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢出發(fā),建立一個宏觀的、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念,合理確定建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)性措施和原則,這樣不僅滿足設(shè)計各類需求,同時改善人類的居住環(huán)境。

  參考文獻(xiàn):

  [1]C.P.Rubin,Dynamic Optimization of Complex Structures AIAA Structural Dynamic and Aero elasticity Specialist Conference.

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