高层建筑结构的受力特点和结构概念设计

12.高层建筑结构的受力特点和结构概念设计2.1.高层建筑结构上的荷载作用2.1.1.竖向荷载1.恒荷载按材料重度（重力密度）与构件尺寸进行计算。2.楼面、屋面活荷载可从荷载规范（GB50009—2001《建筑结构荷载规范》）中查得，但要注意以下情况（1）施工中采用附墙塔、爬墙塔等对结构受力有影响的超重机械或其它施工设备时，根据具体情况验算施工对结构的影响（2）旋转餐厅轨道和驱动设备的重量（3）擦窗机等清洗设备（4）屋面小型直升机3.活荷载的不利布置一般不考虑楼面活荷载的不利布置，因为（1）活荷载占总竖向荷载的份额较小（2）实际结构中并非按某些跨有活荷载，而其它一些跨无活荷载，而是某家或房间里有无活荷载，而且家具一般总是存在的。（3）即使在计算机高度发展的今天，模拟活荷载最不利布置仍非常困难。2.1.2.风荷载空气的流动受到建筑物的阻碍，会有建筑物表面形成压力或吸力，这些压力或吸力即是建筑物所受的风荷载。风是空气流动形成的，风对建筑物的作用是不规则的，风压随风速、风向变化的紊乱变2化而不断改变，实际上风荷载是随时间变化的动力荷载，将10min以上长周期的风压(大于高层建筑结构自振周期0.5—10s)，常称稳定风压，在设计中作为静荷载考虑，对建筑物产生侧移；另一种风是短周期部分(只有几秒钟左右)，常称阵风脉动，上图中沿平场风压上下的波动部分为脉动风压，它的强度随时间按随机规律变化。由于它周期较短，作用性质是动力的，这种脉动风压使建筑物在平均侧移的附近左右摇摆，引起结构的振动，设计时采用加大风载的方法来考虑这个动力效应，在风压值上乘以风振系数z。（1）基本风压基本风压与风速有关，规范取W。＝V2／1600。《荷裁规范》规定，取该地区(城市)空旷平坦地面上离地10m处，30年一遇，10min平均最大风速V作为计算基本风压的依据。对于山区或海岛等特殊地形处可用一些系数来调整基本风压仅。荷载规范给出的w。值适用于多层建筑、对一般高层建筑和特别重要的、或有持殊要求的高层建筑，适当提高基本风压的保证系数是必要的，因此分别取50年一遇和100年一遇的风速计算基本风压值，即取《荷载规范》给出的W。乘一系数，对一般高层建筑取1.1W。特别重要的高层建筑取1.2W。作为基本风压值。（2）风压高度变化系数在10m以上、随着高度的增加，风速受地面影响越小、风速加快，风压值增加，风速与地面高度的关系符合指数函数规律，也与地面粗糙度有关，地面愈租糙，风的阻力大，风速小。《荷载规范》把地面粗糙度分为三类。A类：近海海面、海岸、湖岸、海岛及沙漠地区；B类：由野、乡村、丛林、斤陵及房屋比较稀疏的中、小城镇及大城市郊区C类：平均建筑高度15m以上、有密集建筑群的大城市市区。荷载规范结出了风压高度变化系数，用以修正基本风压。（3）风载体型系数风载体型系数主要与建筑物的体型、尺寸等几何性质有关，高层建筑的体型变化大且复杂，一般都通过实测或风洞模拟试验得到。当风流动经过建筑物时，对建筑物不同部位会产生不同效果，有压力，也右吸力，空气流功还会产生涡流，对建筑物局部有较大的压力或吸力。风压在建筑物表面的分布是不均匀的。下图给出风压沿房屋表面的分布图。风压除与建筑物平面形状有关外，还与建筑物的高宽比有关，高宽比增大，s增大。矩形平面的高层建筑s与风向角有关,为建筑表面法线与风作用方向的夹角，s随增大而减小。但压力分布沿宽度趋于不均匀。当＝0度时，沿宽度均为压力，当＝60度时，宽度两端各为压力和吸力，此时将对房屋产生扭矩。s还与建筑物的表面形态(有无阳台、遮阳板以及横、竖线条处理等)及建筑物的透气性有关，如表面有明显凹凸，其迎风面的体型3系数比表面平整大，尤其当表面有竖线条处理时更为明显，一般增大6%—8％，建筑物的透气性越大，s越小。在建筑体积相同的情况下，合理选择体型．可有效降低风对结构的作用，一般情况下，十字形、Y形、六边形及圆型平面的s小于矩形平面的s，从而对于矩形平面，将角偶处进行适当的平滑处理，如改为圆角或截角，将减小s值。根据国内外风洞试验和有关规定，对高层建筑群体，须考虑风载体型系数的增大系数，即高层建筑群体之间相互干扰，会使风压分布增大，称为群楼效应。（3）风振系数z风的作用是不规则的，风压随风速、风向的紊乱变化而不停改变。除了看成静荷裁的稳定风压外，还有脉动风压使建筑物在平均侧移附近振动，脉动风压对建筑产生的动力效应与建筑物高度和刚度有关，对高度较大、刚度较小的高层建筑，脉动风压会使位移加大，设计时采用加大风载的办法来考虑这种动力效应，在风压值上乘以风振系数z。规范规定，建筑高度大于30m且高宽比大于1.5的高层建筑应考虑风振影响。高层建筑的风振系数，按下式计算：(2.3)设计时应分别计算风载对建筑物的总体效应及局部效应。总体效应是指作用在建筑物上的全部风荷载使结构产生的内力及位移，局部效应是指风载对建筑物某个局部产生的内力及变形。风向法线方向Biusiai1．总风载计算总体效应时，采用各个表面承受风力的合力，迎风面积取垂直于风向的最大投影面(2.4)2．局部风裁实际上风压在建筑物表面上是不均匀的，在验算墙板、女儿墙、窗破璃、玻璃幕墙、广告脾、挑檐、阳台等构件的承载力和连接件的强度时，应考虑局部风载的不利作用．可采用4如下图所示的局部风荷载体型系数2.1.3.地震作用1.基本概念地震作用是指地震波的作用产生的地面运动，通过房屋基础影响上部结构，使结构产生振动，由于是间接施加在结构上，应称为地震作用，而不称为荷载，结构的地震反应包括速度、加速度和位移反应。水平传播的地震波使结构产生水平振动，而竖向传播的地震波使房屋产生竖向振动，设计中主要考虑水平地震作用、只有震中附近的高烈度区，或大跨度结构，才同时考虑竖向地震的作用。地震作用和地面运动特性有关。地面运动的最重要的特性是强度(由幅值大小表示)、频谱与持时。强烈地震的加速度和速度幅值一般很大，但如果地震时间很短，对建筑物的影响可能不大；而有时地面运动的加速度和速度幅值并不很大，而地震波的卓越周期(频谱分析中能量占主导地位的频率成分)与结构物基本周期接近，或者振动时间很长，都可能对建筑物造成严重影响。因此称强度、频谱与持时为地震动三要素。地面运动的特性除了与震源所在位置、深度、地震发生原因、传播距离等因素有关外，还与地震传播经过的区域和建筑物所在区域的场地土性质有密切关系。建筑本身的动力特性是指建筑物的自振周期、振型与阻尼，它们与建筑物的质量和结构的列度有关。通常质量大、刚度大、周期短的建筑物在地震作用下的惯性力较大，刚度小、周期长的建筑物位移较大。特别是当地震波的卓越周期与建筑物自振周期相近时，会引起类共振，结内的地震反应加剧。2.三水准抗震设计目标及一般计算原则抗震规范中规定设防烈度为6度及6度以上的地区，建筑物必须进行抗震设计。抗震设防的目标是按三个水准要求，“小震不坏，中震可修，大震不倒”第一水准：在小地震(众值烈度，50年超越概率为63．2％)结构应处于弹性状态，结构不损坏，不修理仍可继续使用。5第二水准：在中震(设防烈度即一般采用基本烈度，50年超越概率为10％)作用下，允许结构某些部位达到或超过屈服极限(钢筋混凝土结构会产生裂缝)，产生弹塑性变形，吸收并耗散地震能量，使结构保持稳定，经一般修理或不修理可继续使用。第三水准：在强震(罕遇烈度，50年超越概率为2％—3%)作用下，结构进入弹塑性大变形状态，部分产生破坏，结构不能倒塌，避免危及生命安全．即要求坏而不倒。为达到三水准要求，抗震设计采用两阶段的设计方法。第一阶段为设计阶段。除了在确定结构方案和结构布置时应考虑抗震要求外，还要按设防烈度进行结构分折和地震内力计算及弹性位移计算，用极限状态方法设计截面配筋，并按延性要求采取相应的抗震措施，使之具有第二水准的变形能力，从而实现“小震水坏”和“中震可修”。这一阶段设计对所有抗震设计的高层建筑都必须进行。第二阶段是验算阶段。对抗震要求较高的建筑结构(如甲类建筑)，要用罕遇地震作用计算易损部位(薄弱层)的弹塑性侧移变形。如果层间变形不超过允许值1／50，应采取措施提高薄弱层的承载能力，增加变形能力，加强抗震构造措施；若变形超过允许值，应重新设计(修改第一阶段设计)，使薄弱层的弹塑性位移不超过允许位移，满足大震不倒的要求。高层建筑结构应按下列原则考虑地层作用：6（1）抗侧力结构正交布置时，可在结构两个主轴方向分别考虑水平地震；有斜交抗侧力结构时，应分别考虑各斜交方向的水平地震作用。（2）质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应考虑水平地震作用的扭转影响。（3）9度设防时应考虑竖向地震作用的不利组合。3.地震作用的计算方法确定地震作用的方法可分为静力法、反应谱方法和时程分析方法(直接动力法)三大类。反应谱方法是用动力方法计算质点体系地震反应，建立反应谱；再用加速度瓜谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载；然后按静力方法进行结构计算及设计的方法。所以亦称似静力法，我国抗震规范规定，一般建筑可按此法确定等效地震力。时程分析法是一种直接动力法，是在地基土上作用地震波后(按烈度、近震、远震和场地类别选用适当数量的实际地震记录或人工模拟的地面运动的加速度时程曲线)，通过动力计算方法直接求得上部结构反应的一种方法。单自由度体系周期与刚度的关系2.1.4.温度和其它作用在建筑结构的使用过程中，由于温度变化、材料收缩、混凝土徐变、基础沉降，地震等，都会在其上产生作用效应，如内力和变形。1.温度—收缩缝实际工程设计中，不必计算由温度产生的结构内力。因为温度场的分布、收缩系数都难以精确确定，而且混凝土又不是完全弹性材料，理论计算与实际情况有较大的差异。7通常，高层建筑结构温度—收缩缝最大间距按规范确定。目前，已建成的许多工程由于采取了一系列措施，并进行合理的施工，伸缩缝的间距已超出了有关规定限制。例如广州白云宾馆（33层，现浇剪力墙，高115m）长度已达70m。北京许多高层建筑结构的长期更大，如昆仑饭店达114m，京伦饭店达138m。大量的经验及分析说明，多层建筑物的温差作用可以忽略不计；但对30层以上的超高层建筑，必须考虑温度的影响。减小温差的综合技术措施有（1）直接阳光照射的屋面加厚隔热保温层，或设置架空通风屋面，避免屋面板温度变化过于激烈。（2）合理选择结构形式，降低结构约束程度。如将剪力墙结构的顶层改为框架（3）合理布置分布钢筋，重视构造钢筋的作用。（4）在温度变化影响较大的部位提高配筋率，如顶层、山墙及纵墙两端。一般配筋率都大于0.3%，而最小配筋率要求是0.25%。（5）提高混凝土的抗拉强度，对超长结构采用后浇带，或设伸缩缝。后浇混凝土70~1000每隔40m左右留后浇带，后浇带一般用高标号混凝土充填，后浇带填筑可以在主体混凝土浇筑后两个月顺序流水进行，有困难时至少也要一个月后浇筑。后浇带须贯通结构整个横截面，应选择对结构受力影响最小的部位通过，不要在同一个平面内，因为曲折延伸可以避免全部钢筋在同一平面内搭接。2.沉降缝沉降缝用来划分层数相差很远、荷载相差很大的高层建筑部分，避免由于不均匀沉降而使结构产生损坏。建筑结构各部分沉降差的处理大体有三种方法：（1）放——设沉降缝，让各部分自由沉降；（2）抗——采用刚性很大的基础，用基础本身的刚度来抵抗沉降差；（3）调——在设计与施工中采取措施调整各部分的沉降，减少不均匀沉降，从而降低由此产生的结构内力。高层建筑主楼与裙房之间层数与荷载都相差很远，一般在具有下列条件之一时才能不设沉降缝（1）采用端承桩，桩尖直至基岩，建筑物各部分之间沉降差很小（2）地基条件较好，沉降计算可靠在情况（2）时，由于地基好，计算沉降量有把握，可以采取措施控制沉降，如先施工主楼，后施工裙房。上述两种情况下，主楼与裙房之间留后浇带，等沉降稳定后再浇筑后浇带。3.防震缝在有抗震设防要求时，各结构单元之间必须留有足够宽度。考虑到相邻结构单元有相向8振动可能，所以缝宽不应小于相邻单元位移之各（按较低的结构单元顶部标高处的位移计算）除了设置温度—收缩缝和沉降缝之