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高层建筑在结构设计中应注意的若干问题
资讯类型:行业新闻 加入时间:2015年12月17日10:24
高层建筑在结构设计中应注意的若干问题
                                            李青
                               中国核电工程有限公司郑州分公司
    高层建筑的结构设计是一个专业化系统化的工作,因此需要由专业的设计人员来完成。在设计过程中,设计者要注重设计的各项客观性指标是否符合建筑物设计标准,同时再加入一些必要的主观性需要,本着科学、合理、安全、高效等原则,不仅要为人们提供使用上的便利,而且也要具有必要的安全性能,并且发挥抗震、抗风等作用,只有这样才能体现出高层建筑物的优势,才能充分发挥其功能和作用。
    一、高层建筑结构体系的类别
    1.按结构材料划分为:
    (1)钢筋混凝土结构。充分发挥钢筋和混凝土两种工程材料的力学性能,共同受力,协调工作。是国内目前无论是在住宅还是商业应用最为广泛的结构形式。
    (2)钢结构。虽然存在结构材料本身价格较高、易锈蚀、维护成本高的种种缺点,但结构强度高、自重低、抗震性能优良等优点使钢结构成为优秀的超高层的建筑结构。
    (3)钢-混凝土组合混合结构。将钢构件和钢筋混凝土构件作为结构构件进行连接,共同形成结构体系。
    (4)钢-混凝土组合结构。型钢混凝土结构: 将型钢当作混凝土中的加劲材料; 钢管混凝土结构: 钢管内浇筑混凝土形成高强度的结构构件。
    2.按结构形式划分为:
    (1)框架结构。由梁、柱为主要受力构件的结构形式。
    (2)剪力墙结构。主要由剪力墙承受横向或竖向荷载的结构形式。
    (3)框架剪力墙结构。利用框架和剪力墙的各自优点,框架和剪力墙组合使用的结构形式,既有较强的水平抗力,又能满足建筑对空间使用功能的较高要求。
    (4)筒体结构: 包括框架-核心筒结构、筒中筒结构和钢-混凝土混合结构等结构形式。
    3.较复杂高层建筑结构体系:
    (1)转换层结构。沿立面根据功能划分为不同区段,使得结构形式在竖向上有变化,设置转换层使这些不同区段的竖向构件实现由上部多柱或剪力墙向下部少柱支撑的结构过渡,以满足底部使用空间的灵活性。
    (2)连体结构。由架空连接体在位置较高处将两栋有一定距离的高层建筑进行连接,以实现建筑外轮廓和功能需求。
    (3)带加强层结构。沿竖向在高层建筑合理的位置设置一个或若干个加强层,以提高整个结构的抗侧刚度。通常都是利用高层建筑的避难层和设备层空间设置。
    二、高层建筑的结构设计要点
    1.数值模拟计算的建筑模型
    结构的计算工作是以建筑模型为基础进一步开展的,如果建筑模型设置不当就会导致许多结构安全的问题频繁产生, 因此建立正确的建筑结构模型是保证结构安全的有力条件。同时建筑模型也应该采取一定的构造措施来确保模型本身在实际应用中的适用程度。 如实际的结构节点不可能是纯粹的铰结点或刚结点,但是与实际上的受力计算模型的差异就一定要控制在设计允许的差异范围之内。
    2.基础方案
    高层建筑基础的选型与设计应该根据施工现场的工程地质条件,对上层的结构竖向分体系的荷载传递特征以及邻近建筑物影响和施工条件等等多方面的因素进行综合的整理分析, 选择最适合并且最经济的基础方案,以满足地基承载力和基础沉降的要求。在基础设计的时候应根据实际情况最大限度地发挥地基的作用,在需要时尚应对地基土持力层及其下卧层的整体稳定性进行验算(尤其是在地震作用时)。
    由于在进行高层建筑基础的方案选择及其初步设计时,往往缺少详尽的地质勘察报告,对于建筑场地应进行充分的调查,并参考周边建筑的场地资料。
    3.结构方案
    一个切实可行的结构方案,实际上就是一个可以实际应用的结构形式和结构体系的总称。结构体系的完备就必须要做到受力明确,传力简单。在简单的同一结构单元中不适合选择用不同结构的体系混合,如果位于地震区单元附近就应该充分的考虑平面布置以及竖向布置的规则性。就是必须对工程中所有的具体情况进行综合的整体分析,充分考虑到建筑、电、水、暖等专业对结构体系的影响,在满足各专业功能要求的基础上进行合理的结构方案设计。如果必要时尽可能进行多种方案综合比较,从而优化方案,选出经济合理并确保安全的结构方案。
    三、高层建筑物结构数值模拟计算中的重点问题
    1.重点加强结构延展性设计
    由于高层建筑物高度较高,地震发生时更容易受到影响,可能出现变形、倒塌等问题,因此,结构设计方面必须在合理的范围内加强其结构的侧向刚度和扭转刚度,使建筑构件或结构在大震破坏后保持一定的强度或承载力的同时还具有弹塑性变形能力,设计过程中需要着重对结构构件或体系采取特别的工艺和措施,使结构能够发挥良好的延展性、耗能能力,这样才能有效克服地震灾害产生的变形等问题。
    2.重视轴向变形问题
    高层建筑物由于层数多,高度大,竖向荷载数值往往很大,能够在柱中引起较大的轴力值,再加上沿高度积累的轴向变形显著, 轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。如框架结构中由于中柱轴力比边柱大些,中柱轴向压缩变形也大于边柱,相当于梁的中支座产生沉陷,中支座上方梁端负弯矩自下而上逐层减少,到上部楼层梁跨中还可能出现正弯矩。另外结构所受的竖向荷载并不是在结构完成后一次施加的,而是在施工过程中逐层施加的,若是忽视了施工过程分层施加这一因素,会出现一些不合理的计算结果,如邻近剪力墙和筒体的上层框架梁出现过大弯矩和剪力等。
    3.合理设计水平力
    虽然建筑的竖向载荷力与结构体系的设置密切相关,然而,水平载荷引起的结构内力却起到控制性作用,这是因为水平载荷(风荷载和地震作用)能够引起建筑物的侧向位移和振动,对建筑物的效应不是线性的,而是会随着建筑物的高度的增加而迅速递增的。因此,充分考虑地震、风荷载等水平作用对结构的影响是尤为重要的。
    高层建筑结构体系的布置,应根据建筑功能要求以及地域和场地条件,建立一个具有多道防线、刚柔结合的结构体系。
    四、工程实例分析
    1.工程概况
    某高层写字楼建筑,地上23层,地下3层,总建筑面积约为12.4万平米。底部大群房,上部两个塔楼,塔楼均为框架核心筒结构。根据岩土工程勘察报告提供信息,本工程场地为黄河冲积二级阶地,地基土层为第四系上更新地层,场地内可不考虑地震液化影响。塔楼柱下荷载最大竖向荷载达2.8x104KN,采用钻孔灌注桩,平板式桩筏基础。平面简图见“图1”。
             
    2.主要问题及措施
    (1)层位移与位移角不满足要求
    主要由于结构侧向刚度不足造成,应提高侧向刚度。可通过增大竖向构件截面或增大梁截面的方式来提高侧向刚度。另外,对于框架核心筒结构,造成位移角过大的原因,也有可能是结构刚度在平面上分布不均匀。
    (2)平面扭转不规则的抗震加强措施
    主要采取调整抗侧力构件的布置,使质心与刚心尽量重合,并加大结构的扭转刚度,以减小结构扭转效应,使结构各楼层的位移比不大于1.2。例如由于塔楼平面存在局部凸出圆弧,部分楼层的Y向最大水平位移与平均层间位移比值超 1.2,最大达到 1.37,最终通过适当加宽圆弧内柱子Y向柱宽,并加强两柱联系梁刚度得以解决。
    (3)侧向刚度不均匀的抗震加强措施
    侧向刚度在竖直方向上分布不均匀, 通过适当的加大立面变化处楼层的板厚以及配筋,并采用双层双向配筋的方式,使得立面变化楼层与其他楼层之间加强作用。本建筑外立面在21层处有收进,下部楼层的局部凸出圆弧造型到本层结束,竖向构件截面变化则避开21层,并适当加强 20~22层竖向构件并增加板厚,以保证各竖向构件能共同协调作用,而不是各自单独工作。
    五、结语
    高层建筑设计需要衡量多方面因素,如建筑结构布置的合理性和实用性,与周围环境的协调和美观性,最重要的是满足建筑设计的功能使用要求。设计人员在设计时要对环境条件的有充分的考察和对建筑使用要求有充分的了解,在结构设计过程中充分发挥建筑材料性能,充分利用结构布置的有利条件,才能打造出精良的结构设计作品。
文章来自:滑模协会网
文章作者:信息处
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