對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究

1、<p>　　對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究</p><p>　　摘 要: 近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，各類高層建筑在全國各地日益增多。它們新穎別致、多樣化、復(fù)雜化和獨特個性等特點給城市建設(shè)帶來嶄新面貌的同時也給高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計者帶了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合筆者多年實踐經(jīng)驗，談?wù)勅绾蝺?yōu)化高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，供各位同行參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞: 高層建筑；混凝土結(jié)

2、構(gòu)； 側(cè)向力； 對策 </p><p>　　中圖分類號：TU97文獻標(biāo)識碼： A </p><p>　　近些年來，隨著我國社會的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，人們對自己所居住的建筑要求也越來越高，建造的各類高層建筑層出不窮給城市建設(shè)帶來了新的面貌，日益復(fù)雜的使用功能和多樣化的建筑特征給高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計者帶來了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在此筆者結(jié)合多年的實踐經(jīng)驗，對高層建筑混凝土結(jié) </p

3、><p>　　構(gòu)設(shè)計如何優(yōu)化進行分析和探討，現(xiàn)總結(jié)如下。 </p><p>　　1.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu) </p><p>　　在高層建筑業(yè)的發(fā)展中，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)主要分為以下幾種: ①鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)； ②組合結(jié)構(gòu)； ③新型結(jié)構(gòu)； ④智能建筑結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　1.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) </p><p>　　鋼筋

4、混凝土結(jié)構(gòu)是最早的高層建筑結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要由鋼筋和混凝土構(gòu)成，以用鋼筋混凝土建造的，包括薄殼結(jié)構(gòu)、大模板現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)和使用滑模、升板等建造的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為主要承重要件。此結(jié)構(gòu)的整體性較能好，且具有耐高溫、位移小、維護方便、成本低和剛度大等特點，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一系列特點，都是鋼結(jié)構(gòu)所望塵莫及的。隨著我國混凝土增強材料技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼管混凝土、鋼混凝土和高強混凝土等方面技術(shù)的不斷成熟。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為我國大多數(shù)高層建筑所采用的結(jié)構(gòu)

5、體系，是目前我國應(yīng)用最廣泛的也是大多數(shù)設(shè)計者最熟悉的建筑結(jié)構(gòu)型式。 </p><p><b>　　1.2 組合結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　組合結(jié)構(gòu)主要有鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)和組合切體結(jié)構(gòu)兩種類型，其中組合切體結(jié)構(gòu)是一個組合磚砌體構(gòu)件，主要由磚砌體和鋼筋混凝土面層組成，在軸向力偏心距超過0.7y( y 指由截面重心到軸向力所在偏心方向截面邊緣的距離) ，或e 較大

6、，無筋砌體承載力不足，截面尺寸受到限制時比較適用。組合結(jié)構(gòu)與鋼筋 </p><p>　　混凝土結(jié)構(gòu)有所不同，本結(jié)構(gòu)除了具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點外，還具有污染小、節(jié)約鋼材等特點，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，更節(jié)約了建筑施工中所需要的成本，而且科技含量高，在組合結(jié)構(gòu)中，混凝土被填充于鋼管之內(nèi)，鋼管內(nèi)的混凝土在三軸受壓的狀態(tài)之下可以大大提高鋼管的承載能力，同時又節(jié)約了大量的鋼材。因此，在一定條件下，組合結(jié)構(gòu)可以取代鋼筋混凝土

7、結(jié)構(gòu)。而且組合結(jié)構(gòu)有著更廣泛的應(yīng)用范圍，不但應(yīng)用在高層建筑中，在造船、冶金與電力等方面也同樣適用。 </p><p><b>　　1.3 新型結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　在高層建筑結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻體系和框架體系等幾種類型是比較常見的，而對于新型的結(jié)構(gòu)體系，它主要是以筒體的組成方式來作為區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)的，新型結(jié)構(gòu)體系可分為三種體系: 筒中筒體系、框筒體系和束筒體系。

8、相比于傳統(tǒng)的單片平面結(jié)構(gòu)體系，新型結(jié)構(gòu)體系中的筒體則具有更大的抗側(cè)剛度，且承載力更大。目前，在功能較全且層數(shù)較多用途較廣的高層建筑中，這種新型結(jié)構(gòu)體系相對比較適用。 </p><p>　　1.4 智能建筑結(jié)構(gòu) </p><p>　　BAS、OAS 和CAS 是智能化系統(tǒng)的三大代表，BAS 指樓與自動化系統(tǒng)，OAS 指辦公自動化系統(tǒng)，CAS 指通信自動化系統(tǒng)。目前，智能建筑結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)

9、用較少，本結(jié)構(gòu)是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代建筑技術(shù)相結(jié)合的一種建筑結(jié)構(gòu)，隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，這一結(jié)構(gòu)也具有較好的應(yīng)用前景。在這新的建筑建構(gòu)之下，建筑物的系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)體系以及服務(wù)與管理等要素被聯(lián)系在一起，設(shè)計得以更加優(yōu)化，人們可以生活在一個更為方便快捷且安全舒適的環(huán)境中。 </p><p>　　2. 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮因素 </p><p>　　在高層建筑中，當(dāng)建筑物達到一定高度

10、，安全性就會成為重要的考慮因素，混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是安全性的一個重要保證，因此，對于具有一定高度的高層建筑，在設(shè)計時，混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計就顯得異常重要，。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計必須充分考慮各方面因素，使其達到強度足夠、剛度適宜、延性良好、設(shè)計合理的標(biāo)準(zhǔn)。需要考慮的因素主要包括: ( 1) 側(cè)向力，側(cè)向力主要是指建筑物在建成以后所承受的風(fēng)力、地震力和垂直載荷等外力。無論是高層建筑還是低層建筑，都要承受這樣的側(cè)向力，低層建筑受到水平力較小，而

11、高層建筑受到水平力隨著層數(shù)的增多而不斷增大。因此，水平荷載和地震力等側(cè)向力應(yīng)該成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時著重考慮的因素，這些因素正是影響高層建筑物結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和建筑土建造價提高的主要因素；( 2) 適宜的剛度，據(jù)胡克定律，剪切模量G 能夠在很大程度上決定向同材料的剛度，同時，建筑物的形狀購置也將在很大程度上決定建筑物在塑性期的剛度。在高層建筑建設(shè)過程中，建筑高度是一系列風(fēng)險因素的出現(xiàn)原因，其中不僅包括側(cè)向力，更包括側(cè)向位移，它是會隨著

12、建筑物高度的增加而逐漸增大，當(dāng)高層建筑在水平力的作用之下，為了使高層建筑的側(cè)向位移保持</p><p>　　3. 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的具體方法 </p><p>　　高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計作為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要部分，它必須能夠與高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計相適應(yīng)。目前，在整體結(jié)構(gòu)合理的條件下，追求結(jié)構(gòu)中各個構(gòu)件的最大承載力成為國內(nèi)外學(xué)者追求的主要目標(biāo)。目前為止，對于各個構(gòu)件的優(yōu)化，盡管各

13、國學(xué)者已經(jīng)進行過相關(guān)研究，但行業(yè)內(nèi)仍沒有一個適用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的成熟數(shù)學(xué)模型，同時這一模型能夠滿足各種結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范條件，符合設(shè)計人員習(xí)慣，又盡可能接近最優(yōu)解。因此，在實踐的指導(dǎo)下，對各個構(gòu)件內(nèi)力的最大承載力的追求就成為設(shè)計人員的目標(biāo)。從本質(zhì)上說，優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵點就在于整體和局部概念的統(tǒng)籌合理，二者兼顧。接下來，就高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提出具體三項方案: </p><p>　　3.1 合理使用高強砼和高強

14、鋼筋。在建筑的整個施工過程中，用鋼量是影響總造價的一個重要因素。因此，為了合理降低用鋼量，降低造價，節(jié)約成本，設(shè)計中必須合理使用高強鋼筋。然而在高層建筑位于深厚軟弱地基之上的情況下，強砼和高強鋼筋高優(yōu)化構(gòu)件截面尺寸的合理使用，對于減輕地基載荷，降低基礎(chǔ)施工的難度，縮減造價，將具有非常直觀的經(jīng)濟效果。由于地震對于一幢建筑的破壞程度，是與該幢建筑的自重成正比的，自重越大，受損毀的可能性，破壞程度就越大。因此，減輕建筑物自重能夠減小其受地震破

15、壞的程度，為建筑物的安全提供保證。所以，高強砼和高強鋼筋在設(shè)計中的合理使用對于快速、有效的減少墻、柱、梁、板等構(gòu)件的截面尺寸，減少用鋼量，減輕建筑自重，最后達到降低造價及安全使用的目的具有十分重要的作用。 </p><p>　　3.2 在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于一個獨立結(jié)構(gòu)單元，平面性狀、各部分的剛度和承載力是三個需要考慮的重要因素。首先，平面結(jié)構(gòu)性狀應(yīng)該最大限度的做到簡單而且規(guī)則，長度不應(yīng)過長，凸出部分不應(yīng)過

16、大，豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收。其次，剛度和承載力在各部分應(yīng)該分布均勻，豎向布置嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)應(yīng)該禁止采用，下大上小，逐漸均勻變化的側(cè)向剛度結(jié)構(gòu)才是最合理的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，也許會出現(xiàn)這樣的狀況，結(jié)構(gòu)足夠合理，正如以上所述的標(biāo)準(zhǔn)一樣，但卻缺乏美觀和實用性。這時，就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要特別重視結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，并且將概念設(shè)計貫穿于建設(shè)過程的始終。使建筑結(jié)構(gòu)在滿足美觀、適用的前提下，平面的布局和豎向布置既簡潔、又規(guī)則均勻，

17、從而具有合理的剛度和承載力分布。 </p><p>　　3.3 注重剪力墻的平面布置。具體應(yīng)如何注重剪力墻的平面布置，我們應(yīng)該從以下幾方面做起: (1) 剪力墻的布置原則在于沿周邊均勻、相對集中布置，同時又不損害建筑原有的使用功能。一般布置在建筑物的樓梯間、電梯間處，以及平面形狀變化及恒載較大的部位，其間距宜適中，不宜過大。(2) 剪力墻墻肢截面應(yīng)具有簡單、規(guī)則的特點，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定側(cè)向剛度，但不宜過大。(

18、3) 較多的短肢剪力墻不會起到聯(lián)合剪力的良好效果，全部為短肢剪力墻的情況更是應(yīng)該避免出現(xiàn)。 </p><p><b>　　4.結(jié)語 </b></p><p>　　總而言之，在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮各方面因素，考慮高層建筑風(fēng)和地震力等側(cè)向力的影響； 考慮自重和地基載荷的影響； 保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，具有適宜的剛度，具有良好的延性。與此同時，也應(yīng)該

19、能夠從整體上把握結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計，了解總體系和主要體系間所存在的最佳受力標(biāo)準(zhǔn)，從而找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案，滿足各方設(shè)計使用要求。 </p><p><b>　　參考文獻: </b></p><p>　?。?］楊克家，梁興文，張茂雨，等。帶加強層超高層建筑結(jié)構(gòu)基于能力譜法的抗震設(shè)計［J］。地震工程與工程振動，2010． </p><p>　　［2］李源新