在世界范圍內(nèi),現(xiàn)代意義上的高層建筑發(fā)展大概也只有120年的歷史,我國高層建筑的建設基本上是在解放后開始的,改革開放后,隨著我國綜合國力的不斷增強,我國高層建筑的設計和建設水平有了飛躍的發(fā)展,并在迅速接近國際水平。從一般意義上來講,現(xiàn)代高層建筑是在社會生產(chǎn)發(fā)展和人們生活需要下而不斷地發(fā)展起來的,是商業(yè)化、工業(yè)化和城市化發(fā)展的結(jié)果,科學技術的進步和輕質(zhì)高強材料的出現(xiàn)以及機械化、電氣化、計算機技術在建筑學領域方面的廣泛應用為高層建筑的發(fā)展提供了必不可少的物質(zhì)條件,因此,從這方面的意義上來講,高層建筑的出現(xiàn)和發(fā)展又是現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代社會發(fā)展的產(chǎn)物。
隨著經(jīng)濟的發(fā)展,高層建筑的發(fā)展也上了一個新的臺階,出現(xiàn)了許許多構(gòu)造新穎、層數(shù)多、體量大的高層建筑物,這些建筑物既要做到安全又要做到經(jīng)濟合理,這就給高層建筑結(jié)構(gòu)設計提出了許多新的課題。高層建筑物的主體結(jié)構(gòu)主要是由樓層結(jié)構(gòu)、傳遞豎截結(jié)構(gòu)、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)、基礎結(jié)構(gòu)和豎向交通結(jié)構(gòu)等構(gòu)成的,這些結(jié)構(gòu)之間相互配合,協(xié)調(diào)受力,構(gòu)成一定傳力路線,所以說各個主力結(jié)構(gòu)之間的受力是相互影響的,在設計中要想使整個結(jié)構(gòu)做到完美,在技術和用料、造價方面都需要從整體出發(fā),多方面考慮。
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水平荷載是決定因素
這是因為,一方面,在豎構(gòu)件中樓房自重和樓面使用荷載引起的軸力、彎矩值只與樓房高度成一次方正比,而水平荷載力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩和由此在豎構(gòu)件中產(chǎn)生的軸力,與樓房的高度是成兩次方正比;另一方面,對于一定高度的樓房來說,其豎向荷載力大體上是個定值,而其水平荷載力在風荷載和地震的作用下,其值是隨著結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有很大幅度的變化。
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軸向變形不容忽視
在高層建筑物中,如果豎向荷載力值很大,就能夠在柱中引起大的軸向變形,這就會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生很大的影響使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小,使正彎矩值與端支座負彎矩值增大;這也會對構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響,所以需要根據(jù)軸向變形來計算,而對下料長度進行調(diào)整;此外對構(gòu)件的剪力和側(cè)移也會產(chǎn)生影響,會出現(xiàn)偏于不安全的結(jié)果。
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側(cè)移是控制指標
與多層較低樓房不同,在高層樓房結(jié)構(gòu)設計中結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為設計的關鍵。因為隨著樓房高度的增加,在水平荷載力的作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移變形會迅速地增大,所以結(jié)構(gòu)在水平荷載力作用下的側(cè)移應該控制在某一個限度之內(nèi)。
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結(jié)構(gòu)延性成為重要設計指標
與多層較低樓房相比,高層樓房結(jié)構(gòu)更容易在地震中發(fā)生變形,所以為了使結(jié)構(gòu)設計在進入塑性變形后仍然具有很大的變形能力,避免在地震中倒塌,這就需要在結(jié)構(gòu)設計上采取恰當?shù)拇胧瑏硎菇Y(jié)構(gòu)有足夠的延性。
高層建筑物的重要材料主要鋼和鋼筋混凝土,但是各自有著不同的特點,所以在不同的國家、不同地區(qū)、不同條件下如何正確的使用材料,充分發(fā)揮其優(yōu)點,成為經(jīng)濟合理地建造高層建筑物的一個重要方面。目前,我國的高層建筑物,主要采用混凝土結(jié)構(gòu),這既符合我國當前的經(jīng)濟條件,并且這類結(jié)構(gòu)也有其相應的優(yōu)越性,下面主要對高層建筑物中常用的結(jié)構(gòu)類型做個簡要的介紹。
1、鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)在我國高層建筑物中所占的比例最大,而且數(shù)量也最多,比較適合于20-30層以內(nèi)的小高層像住宅、辦公樓、酒店等建筑物都可以。隨著城市的發(fā)展,在大城市和一些特大城市的中心城區(qū)用地日益緊張,這就促就了高層建筑物的發(fā)展。混凝土結(jié)構(gòu)造價低,即使周期較長,但是由于人工費用低廉,其仍在高層建筑方案選定中具有一定的優(yōu)勢。另一方面,混凝土結(jié)構(gòu)在我國已有較長的發(fā)展時間,在設計和施工方面經(jīng)驗豐富,設計的計算方法也為廣大設計人員所熟知,這也是混凝土高層設計的一個優(yōu)勢。但是,如果樓高超過100米之后,混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件會十分粗大,這種教導的自重比例和較大結(jié)構(gòu)面積,都使得混凝土結(jié)構(gòu)類型不在完全適合,這就使得其他結(jié)構(gòu)類型有了發(fā)展空間。
2、鋼結(jié)構(gòu)
與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比較,高層建筑物的鋼結(jié)構(gòu)有其優(yōu)點,例如:由于鋼材有很好的延性,所以可以設計成延性結(jié)構(gòu)來抵抗地震,其抗震的性能優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu);鋼材強度高,截面小,能有效地減輕自身重量,減低基礎工程的造價;大部分的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件是在工廠制作完成后,運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場在進行安裝,因此就可以縮短工期。但是鋼結(jié)構(gòu)高層也存在一些缺點,像造價較高、耐火力較差并且在國內(nèi)大截面鋼材供應很難落實等等。
3、鋼--混凝土混合結(jié)構(gòu)
在這種結(jié)構(gòu)類型中,部分測力結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu),用鋼材作框架設計,一部分結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)的有以下幾個優(yōu)點:因為其采用鋼筋混凝土核心筒和剪力墻作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu),所以側(cè)向剛度大于鋼結(jié)構(gòu),層間位移和頂點的側(cè)移都較小;這種結(jié)構(gòu)的鋼材用量也小于鋼結(jié)構(gòu),這樣也可以節(jié)省一部分防火涂料費用,所以其造價介于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間;這種結(jié)構(gòu)的施工速度比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要快,可以縮短施工周期;其結(jié)構(gòu)面積也小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
但是,這種結(jié)構(gòu)的缺點是當混凝土內(nèi)筒剛度退化后會使鋼價框架的剪力增大,并且其抗震性能分析還有待進一步完善。另外,混凝土內(nèi)筒施工的誤差也大于鋼結(jié)構(gòu),在連接方面二者也存在一些問題。
4、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)
鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)主要是使用鋼材來代替部分或全部鋼筋,從而加強鋼筋混凝土構(gòu)件。這類結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:有良好的結(jié)構(gòu)過渡層,能改善地震區(qū)建筑物剛度不然變化帶來的不利情況減少層間位移;造價也低于鋼結(jié)構(gòu),防火能力方面高于鋼結(jié)構(gòu);延性優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),并且剛度大于鋼結(jié)構(gòu);比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工速度快。
這種結(jié)構(gòu)的缺點是,鋼骨混凝土梁與柱的連接部分構(gòu)造復雜。
1、高層建筑地下室基坑支護結(jié)構(gòu)的作用
高層建筑地下部分的工程質(zhì)量非常重要,它是保證高層建筑物的使用安全的基礎,做好高層建筑地下室基坑支護結(jié)構(gòu),對高層建筑工程的順利實施有著重要的意義。高層建筑地下室基坑支護結(jié)構(gòu)是高層建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分,因為當建筑物的地上部分較高時,加深其的地下結(jié)構(gòu)能夠有效地調(diào)節(jié)建筑物的重心,確保建筑物的使用安全。
2、高層建筑地下室基坑支護結(jié)構(gòu)的設計要求