超高层建筑体型应该怎样选择?
影响结构经济性的超高层建筑体型主要有高宽比、沿建筑高度的立面变化以及平面形状等。优化的建筑体型可以有效减小风荷载,也显著降低结构造价。
(1)高宽比与结构刚度
超高层建筑在其他条件相同时,在风荷载作用下,建筑物基底倾覆力矩与建筑高度的平方成正比,而建筑物顶部的侧向位移与其高度的四次方成正比。与多高层建筑相比,超高层建筑高度增加几十倍,但房屋的进深 ( 宽度) 最多增加几倍,其高宽比要大很多,位移控制以及顶部舒适度就会成为主要问题。因此,为了增大超高层建筑抵抗水平力和侧移的能力,增加建筑的有效宽度是最有效的。增加建筑的有效宽度可以直接减小倾覆力矩产生的拉压力,从而节省材料,而结构刚度大幅提高,结构侧移按有效宽度三次方的比例减小。悬挂结构体系的抗侧力结构一般由内部筒体承担,其高宽比一般较大,结构抗侧刚度较弱,很少应用于超高层建筑。另外,常规框架-核心筒结构的倾覆力矩和水平剪力主要由核心筒承担,外框架承担比例较低,因此,核心筒的高宽比更能真实反映其受力特征,往往比建筑物的名义高宽比更有参考意义。
(2)高宽比与结构横风向作用
超高层建筑物的高宽比也显著影响横风向的风荷载。以某细柔的超高层建筑为例,其主体结构高度约为167m,平面呈正方形,原方案设计的外形尺寸为16.8m×16.8m,结构的高宽比约为10。
初步风洞试验表明,其横风向的基底弯矩约为顺风向的3倍,横风向效应非常明显。优化方案将建筑平面尺寸调整为18.0m×18.0m 的正方形,结构的高宽比减小为9,基底剪力减小幅度为50% 。其主要原因是影响横风向共振的主要参数为结构频率折算值n1
建筑物的高宽比也显著影响结构侧移的组成。以悬臂结构为研究对象,在假想均布风荷载作用下,弯曲变形与剪切变形的比例随建筑物高宽比的变化。当建筑物高宽比达到6时,剪切引起的变形( 有害位移) 与弯曲引起的变形( 无害位移) 比值为1∶11,即结构顶点位移中有害位移仅占8% 。上述简化分析表明,当建筑物高度较高且高宽比较大时,其结构层间位移控制标准可适当放松,仅需满足非结构构件变形要求即可,而此标准通常为h/200(h为建筑层高) 。
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