高层建筑结构受力概念及相关设计问题分析

      0.引言
对于一个高层建筑物最初的方案设计，建筑师考虑更多的是空间组成特点，而不是详细地确定它的具体结构。建筑设计方案阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布做出总体设想，结构和结构受力是根据建筑需要展开的。
1.高层建筑结构受力概念分析
建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的构件所组成，因此结构必须能将它本身的重量传至地面，结构的荷载总是向下作用于地面的，而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系。对于低层、多层和高层建筑，竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的，但是，随着高度的不断增加。竖向结构体系成为设计的控制因素，其原因有两个：其一，较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒；其二，侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。
与竖向荷载相比，侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的，而随建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比，而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比，地震的作用效应更加明显。在高层建筑中，问题不仅仅是抗剪，而更重要的是整体抗弯和抵抗变形，可见，高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异。不同抗震等级，结构构件的内力增大系数和构造要求是不同的，对结构中某一构件，随着抗震等级的提高，其内力增大系数随之也增大，构造要求也更为严格，因此，实际上也提高了结构的安全度。
超限高层抗震性能目标，增大结构地震作用，实际上加大其构件的内力设计值，对构件的截面和配筋相应也加大，结构安全度也相应的提高。因此，不管采用提高结构抗震等级的手段还是设定抗震性能目标的方法，均可提高结构的安全度，这是它们的相同点，不同的地方在于出发点不同，手段不同，结果也有差异。超限高层建筑抗震性能目标与提高抗震等级之间的差异，首先，设定抗震性能目标，增大结构地震作用，加大其构件的内力设计值；而提高抗震等级通过放大构件内力的手段，从而达到加大构件截面和配筋。其次，设定抗震性能目标，可以通过结构的刚度关系，有目的地加大重要构件的内力设计值，而提高抗震等级，是普遍地提高其构件的内力设计值，目的性不是很明确。
2.高层建筑结构的问题分析
2.1结构的超高问题
在抗震规范和高规范中，对结构的总高度有着严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度以为，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中？，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。
2.2短肢剪力墙的设置问题
在新规范中，对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。
2.3嵌固端的设置问题
由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。
2.4结构的规则性问题
新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。
3.沉降缝的设置问题探讨
在一般建筑结构总体布置中，考虑到沉降、混凝土收缩、温度应力和体型复杂对房屋结构的不利影响，常常用沉降缝、伸缩缝或防震缝将房屋分成若干独立部分，从而消除沉降差，温度应力和复杂体型对结构的危害。但高层建筑中，常常由于建筑使用要求和立面效果考虑，以及防水处理困难等等，希望少设缝或不设缝。这需要在结构总体布置上或采取一些构造措施来减少沉降差、温度应力和体型复杂引起的弊端。由于复杂和不规则的建筑平面是不可避免的，用防震缝进行结构平面分段，是把不规则结构分割为若干规则结构的有效方法。防震缝可以结合沉降缝要求贯通到地基。当无沉降问题时防震缝也可以从基础或地下室以上贯通。当建筑物地下有多层大面积地下室，而上部结构为带裙房的单塔或多塔结构时，可将裙房用防震缝自地下室以上分割，地下室顶板应有良好的整体性和刚度，能将上部结构地震作用传递到地下室结构。特别对于公共建筑的高层建筑一般高达十五层以上，而裙房一般3～4层，由于二者高差十分显著，上部结构荷载和刚度相差很大，对地基基础而言。这种情况往往造成基础内力和地基反力的差异，且变化很大，导致基础发生过大的沉降差异，如果高层建筑主楼和裙房之间的基础设计和连接不当，过大的沉降差将引起次应力，造成建筑开裂。
3.1设置沉降缝
设置沉降缝交将主楼和裙房基础分开。是一种传统的设计方法，按建筑地基基础规范，在建筑高度和荷载差异部位，结构或基础类型不同的部位，宜设沉降缝。但由于沉降缝带来使用上的不方便（容易漏水，影响正常使用），还影响整个建筑物的美观，造价也有所增加，因为这种处理方法较少被采用。
3.2采用整体基础
高层建筑主楼和裙房采用整体基础，二者同置于刚度很大的箱基或厚筏基础上，用基础本身抵抗差异沉降产生的内力；或者基础通过桩支承在基岩或变形较小的持力层上，这样，可以使主楼和裙房基础之间产生很小的沉降差异。
3.3联合设计
主楼和裙房基础的联合设计，是指主楼和裙房采用不同的基础形式，但中间不设沉降缝。这种方法通常主楼是采轻质材料减少自重或采取补偿基础以减少主楼附加压力。在主楼和裙房之间设置后浇带，主楼施工期间可以自由沉降，待主楼结构施工完毕后再浇后浇带中混凝？土，使余下的不均匀沉降可以忽略或按经验方法处理。当主楼和裙房之间不设沉降缝时，应从下面几个方面考虑：（1）建筑平面简单，裙房位置比较有利，当体形复杂时，需要加强结构整体性的措施。（2）裙房面积小，根据裙房伸出主楼的长度，确定采用整体基础.（3）采用桩基，使桩支承在基岩上，或采取减少沉降的有效措施，并经计算，将沉降差和对倾斜控制在规范允许范围内。 (责任编辑：论文发表网)转贴于八度论文发表网: http://www.8dulw.com(论文网__代写代发论文_论文发表_毕业论文_免费论文范文网_论文格式_广东论文网_广州论文网)