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针对当前复杂高层与超高层建筑结构设计中存在的问题,阐述了建筑结构设计方案的选择,包括结构方案的选择和结构类型的选择,并分析了建筑结构设计要点,以期为复杂高层与超高层建筑的建设提供一定的理论依据。
关键词:
复杂高层建筑;超高层建筑;结构设计;结构类型
随着我国市场经济发展进程的不断加快,复杂高层与超高层建筑工程的项目建设需求越来越大。然而,其建设设计过程的复杂程度也在不断加深,尤其是结构设计。做好结构设计工作是保障建筑物使用安全性和经济性的关键。对于复杂高层建筑或者是超高层建筑,要根据它们所承受的不同强度来开展抗震设防烈度的设计工作。
1建筑结构设计方案的选择
1.1结构方案和结构类型的选择在设计复杂高层与超高层建筑结构的过程中,结构方案选择的合理性是决定其建设质量的关键。对于复杂高层与超高层建筑结构方案的选择,如果没有根据实际工程情况进行,就很容易导致建设后期中的调整。这就在一定程度上增加了复杂高层与超高层建筑结构的设计难度,从而为建筑设计单位带来较大的修改工作量和经济损失。因而,复杂高层与超高层建筑的设计单位在结构方案的选择过程中,应充分结合相关的建筑结构专业知识,并将其应用到设计当中。对于结构类型的选择,设计人员不仅要将工程建设地的岩土工程地质条件考虑在内,还要将抗震设防烈度的要求考虑在内。这样才能降低工程建设企业复杂高层与超高层建筑工程的造价。由此可以看出,在选择结构设计类型时,需要认真考虑工程的造价和施工的合理性。
1.2结构方案和结构类型的选择要点结构方案和结构类型的选择应注重复杂高层与超高层建筑的概念设计。由大量的设计实践经验得出,在复杂高层与超高层建筑的结构设计过程中,要尽可能地提升建筑结构的均匀性和规则性,保证建筑工程结构的传力途径直接而清晰,尤其是结构竖向和抗侧力的传力途径。随着建筑行业的快速发展和科学技术的不断进步,如何实现可持续发展的建设目标已经成为研究人员重点关注的问题。
2建筑结构设计要点
2.1抗震设防烈度复杂高层与超高层建筑抗震设防烈度的设计是保证建筑物使用安全的重要设计内容。对于复杂高层与超高层建筑的结构设计要求,设计人员要根据其承受的不同强度来开展抗震设防烈度的设计工作。然而,由于建筑物高度是不同的,这就意味着在进行结构设计时,要依据实际工程情况进行有针对性的设计。一般情况下,复杂高层与超高层建筑高度均超过300m,那么在结构设计时,就不适合将其设计在抗震设防烈度为“八”的区域,而更适合设计在抗震设防烈度为“六”的区域。由此可以看出,在设计复杂高层与超高层建筑结构时,要综合考虑抗震设防烈度的具体情况。这样做,不仅可以有效减少建设误差,还可以保障居民的生命财产安全。此外,提高复杂高层与超高层建筑结构设计中的抗震技术水平,能够在一定程度上增强建筑物的经济性和安全性。因此,设计人员应从细节出发,秉承“以人为本”的设计理念。只有这样,才能有效保障人民群众的生命财产安全。
2.2结构舒适度确保复杂高层与超高层建筑水平振动舒适度是树立“以人为本”重要结构设计理念的基础。从结构设计的一般方法来说,复杂高层与超高层建筑的结构是相对柔软的。因而,在进行结构设计的过程中,不仅要保证结构设计的安全性,更要满足建筑物使用人群对舒适度的要求。这就意味着要对高层建筑的高钢规程和混凝土规程作出明确的设计要求。这一过程是使高层建筑物的结构设计达到顺风向和横风向顶点的最大加速度的重要设计内容。结构舒适度分析是复杂高层与超高层建筑结构设计的重要组成部分。具体内容包括以下两方面:①对混凝土结构的建筑来说,其设计的阻尼比最好取0.05;②对于钢结构以及混合结构的建筑来说,其设计的阻尼比要根据工程项目的实际情况控制在0.01~0.02之间。此外,从复杂高层与超高层建筑的建设用途来看,公共建筑的水平振动指标限值与公寓类建筑的指标限制存在较大的差异,因此,设计人员要根据建筑使用功能的不同进行差异性设计,比如可以通过优化TMD技术或TLD技术来实现。这样一来,就可以在复杂高层与超高层建筑水平振动舒适度不合格的情况下,进一步提升建筑物的舒适度水平。
2.3施工过程可行性是对复杂高层与超高层建筑结构进行设计时必须要考虑的问题,否则,即使设计得再合理、先进技术应用得再多,也无法满足实际建设要求。因此,设计人员在设计的过程中,要充分考虑钢材的传力效果以及复杂节点部位钢筋的可靠性、施工建设的可操作性。这也是设计人员在对复杂高层与超高层建筑进行结构设计的过程中必将会涉及到的问题。要想解决型钢与其混凝土梁柱节点处主筋相交的问题,可采用以下四种设计方法对其进行有针对性的设计:①将钢筋与其表面的加劲板进行焊接处理;②将钢筋绕过型钢;③通过在钢板上开洞的方式来穿钢筋;④在型钢与其混凝土梁柱节点表面焊接钢筋、连接套筒。由于复杂高层与超高层建筑的建设要求越来越高,因此,可以采取一些特殊的施工工艺,这也是保证建筑结构稳定的有效措施。
3结束语
总而言之,复杂高层与超高层建筑的结构设计要点是将结构方案和结构类型、抗震设防烈度、结构舒适度以及施工的具体过程考虑在内,同时,还要将提高建筑构件的材料利用效率和结构设计的可行性作为设计重点。这是因为上述内容是提升复杂高层与超高层建筑质量的重要保障。由此可以看出,复杂高层与超高层建筑结构设计所有过程的实现都离不开设计人员对工程建设项目的全面了解。
参考文献
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[2]黄鹤.复杂高层与超高层建筑结构设计要点探讨[J].才智,2012(04):24-25.
王金芝 沈阳亿丰新抚置业有限公司
摘 要:通过对高层建筑钢筋结构设计的科学优化,能够促进投资成本在工程项目的质量安全和环保节能等方面进行合理而均衡的分配,从而使高层建筑项目获得更高的增值,并进一步推动我国经济建设以及城市化步伐的加快。本文首先简要阐述了高层建筑结构计算中计算软件选用和计算参数取值的优化等方面内容,然后就高层建筑钢筋结构设计中梁构造措施、柱构造措施和过渡层设计的优化等方面内容进行了浅要的分析和探讨。
关键词:高层建筑;钢筋结构;设计方式
引言
由于社会以及科技的快速发展,高层建筑钢筋结构设计的优化作为我国高层建筑工程设计管理中的重要一环,其主要的目标就是在于提升高层建筑的结构合理性和经济性。但是在我国高层建筑钢筋结构设计的优化过程中还存在很多的问题,无论是管理体制方面还是在具体的实施过程中,都存在很多的不足之处,所以我们需要加强高层建筑钢筋结构设计的优化工作,保证各个环节都能够做到科学严谨、合理,从而使得高层建筑钢筋结构设计的优化能够得到最大程度的保障,为我国的经济发展做出应有的贡献。而作为高层建筑钢筋结构设计的工程师,就应当肩负起自身职责,做好高层建筑钢筋结构设计的优化工作。
一、高层建筑结构计算中要点与优化策略
(一)高层建筑结构计算中计算软件选用的优化
在利用结构处理时,需要按照实际情况选择适当的计算软件进行处理,在选择三维空间分析软件时不能选取力学模型相同的,特别是在遇到受力比较复杂的情况下,譬如在对框支剪力墙进行分析的过程中,因为其产生了多次的变换,所以选择软件的过程中需要特别注意。同时在分析局部受力比较繁琐的构件时,还需要根据分析的结果对配筋设计进行改动。
(二)高层建筑结构计算中计算参数取值的优化
1.将抗震功能加入建筑结构设计过程时,需要考虑结构的平扭转耦联,将其加到结构计算的过程中,要保证振型数等于或者大于十五,多塔结构的振型数需哟大于或者等于九倍的原振型数,同时还需要保证振型参与质量大于等于结构总质量的百分之九十,如果达不到这个要求,就会在后面的计算过程中出现较大的误差,计算结果也不再具有参考意义。
2.对高层建筑结构的内力位位移计算时,如果只把考虑梁、柱等关键部位结构构件的刚度,而不计算非承重结构构件的刚度,那么最终测量计算出来的自振周期就会比实际测量的值大,这样最终设计出来的结构受到地震的作用也会相对较小。特别是在设计框架结构过程时建筑的刚度很大,这样就会导致,过多的实心墙体运用会使得整个周期实测值变小;运用剪力墙结构时,较少的砖块使用量能够保证墙体的刚度较小,这样就能够保证测量值和实际计算值之间的差距较小。因此在对建筑结构进行设计过程中,在考虑建筑结构的抗震性能时需要将非承重结构的刚度等因素考虑进去,使用数据时也需要结合非承重墙相关方面的数据,通过一定的计算进行相应的改动,但是现在很多建筑设计师在对结构设计进行改进时,通常都是利用软件的默认值1.0,这样就会导致很多有其他结构的建筑都会存在很大的安全隐患,抗压抗震能力十分微弱。
二、高层建筑结构设计中的要点与优化策略
(一)高层建筑结构设计中梁柱构造措施的优化
一旦当梁的腹板高度hW≥450mm,在梁的两个侧面应该按照高度配置纵向安排钢筋,每侧纵向钢筋的截面面积不应该比腹板截面积(bhW)的0.1%还要小,同时间距不应该比200mm大。在实行抗震设计的过程中,框架柱应该达到剪压比的需要,它的截面关键应该让轴压比来掌控。不过在结构设计里面常常会产生轴压比μN达上限甚至超限的现象,但箍筋的体积配箍率ρV却无法达到规程需要的状况。这就违背了框架柱的强剪弱弯准则,同时对柱的延性产生了一定的作用。
(二)高层建筑结构设计中过渡层设计的优化
如果剪力墙结构设计在过渡层或者转换层里面,比如底层框架剪力墙结构,这种结构在应对地震时能够展现出最大的抗剪切力合抗倾覆力矩,而且这种结构不利于它在地震中的受力。而且,因为受到了垂直均匀荷载的作用,转换层或者过渡层在受到剪力墙压剪以及拉剪作用,结构的横向荷载发生作用,会导致转换层或者过渡层剪力墙结构受到的很像承载力减少,同时结构的抗裂性也会降低。通过实验不难发现,一旦结构中的反复横向荷载和垂直同时作用时,转换层或者过渡层所受到的横向荷载以及承载力就会减少很多。可是如果按照平常的检验和计算对其进行检验时,如果结构的垂直荷载或者结构高跨比较小时,那么最后估算出来的剪力墙承载力就会比较大,这样会导致整个建筑的安全系数较低,抗震能力较弱。因此在设计建筑结构转换层或者过渡层时应该在每个结构部分里加入构造柱和圈梁,这样就能够形成一个类框架系统,整个系统的抗震能力就得到了显著提升,结构过渡层或者转换层传送剪切力更加灵敏,延展性等各方面的性能会大大增强,整个建筑会更加趋于安全。
三、结束语
总而言之,由于我国社会主义经济建设的大踏步快速发展,我国正在进行的高层建筑钢筋结构设计的优化,在高层建筑工程发展中慢慢体现出了极其重要的作用。在当前国内外经济形势的一片大好的发展背景下,加强高层建筑钢筋结构设计的优化管理,有着非同寻常的作用。与此同时,通过对高层建筑钢筋结构设计的科学优化,能够促进投资成本在工程项目的质量安全和环保节能等方面进行合理而均衡的分配,从而使高层建筑项目获得更高的增值,并进一步推动我国经济建设以及城市化步伐的加快。而负责高层建筑钢筋结构设计优化的相关人员,要对这些工作有充足的把握。在这种情况下,才会完成好高层建筑钢筋结构设计的优化等一系列工作,进而保证高层建筑工程项目设计管理的顺利进行。
参考文献:
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[3]张丽娟,才凡.建筑结构设计的常见问题浅析[J].黑龙江科技信息,2010(34).
关键词:高层建筑; 结构设计; 原则; 方法
Abstract: With the economic development and the scarcity of construction land of China, high-rise buildings are more and more, and its structure systems present diversified trend, so strengthening the design of high-rise building structure is of important significance. Combined with working experience, the design principles and the relevant precautions of high-rise building structure are analyzed and discussed, hoping to discuss the emphasis and difficulties of the high-rise building structure design with readers.
Key words: high-rise building; structure design; principle; method
中图分类号:[TU208.3] 文献标识码:A 文章编号:2095-2104(2012)
随着城市化进程的不断加速,城市用地越来越紧张,因此高层建筑的应用越来越广泛;加强对高层建筑结构设计的重视程度,既可确保安全性、稳定性,也可顺利实现经济效益目标,其重要性不言而喻。以下将对相关问题进行具体分析:
高层建筑结构设计的重点与难点
1.1 水平荷载的优化
在高层建筑设计中,涉及到的水平荷载问题非常重要。一方面,考虑到高层建筑自身的重量以及各个楼面的荷载作用主要集中于竖向构件,而由此产生的弯矩数值、轴力数值等与建筑高度的一次方呈正比例关系;另一方面,对于高层建筑来说,竖向的荷载力为定值,但是水平荷载力将随着建筑结构特性的不同而有所差异[1]。不同结构形式、不同烈度地区的水平控制荷载主要体现在水平地震作用及风荷载两种情况。
1.2 结构变形的控制
对于高层建筑结构设计来说,位移问题是设计的关键要素之一。随着当前建筑的高度不断增加,水平荷载力也有所提高,因此建筑结构位移和变形随之加大,如何确保高层建筑结构的安全性、稳定性,是非常重要的话题,这也需要采取有效措施将建筑结构水平荷载作用下的变形幅度控制在规范要求之内。
1.3 结构延性的调整
在高层建筑结构设计中,应考虑到震动情况下的变形问题。为了确保建筑结构受到变形力之后仍能保持良好性能,而不至破坏或者坍塌,这就需要在设计过程中采取相应措施,对其延性进行优化调整。
1.4 竖轴向变形的约束
以高层建筑结构设计的实际情况来看,一般竖向的荷载值比较大,如果在设计过程中忽略这一问题,可能引发轴向变形问题(超高层结构尤其明显),进而对连续梁弯矩产生影响;这时候,可能对连续梁中间部位的支座负弯矩值造成影响,并且增大端支座的跨中正弯矩与负弯矩等;在高层建筑结构设计中,应该根据轴向变形的实际情况对相应数值进行确定;采取有效方式应对轴向变形问题、加强对构件剪力值、侧移幅度等控制,确保建筑结构的安全性、稳定性[2]。
高层建筑结构设计应遵循的原则
2.1 合理的结构计算模型
合理的结构受力模式计算模型,在高层结构设计中的重要性不言而喻,如果计算模型与工程实际不相符,则可能对结构设计精准性产生影响,严重者甚至引发结构事故。因此,若想确保高层建筑结构设计的合理性、安全性、稳定性,必须加强对计算模型的重视程度。
2.2 基础的优化设计
以高层建筑的地质条件为出发点,有针对性地选择基础设计形式,对建筑的上部结构类型、荷载分布等进行综合分析,合理选择施工条件,减少对周边建筑物产生的影响;通过考虑各方面的实际因素,最终确定施工组织方案。合理方案的选择,必须充分发挥地基潜力并应考虑经济型及施工简便性,必要情况下需要对地基变形控制[3]-[4]。此外,在高层建筑结构设计中,需要制定详尽的地质勘查报告,必要时应进行现场施工勘查并应充分考虑周边建筑物的情况,还必须对降水、抗浮问题采用有效的措施。
2.3 确定高层建筑结构方案
只有提高结构设计方案的经济性、合理性,同时满足高层建筑的结构体系要求,才能确保整体设计的顺利实现。对于结构体系来说,要求明确受力过程,保障传力的简洁性。对于同等的结构单元来说,结构体系也应相同;如果高层建筑位于地震区域内,那么就需要充分考虑平面规则与竖向规则。
2.4 分析计算结果的合理性
随着我国科技水平的不断进步升,结构设计中计算机的应用越来越广泛,可以选择的计算软件种类非常多,不同软件可能获得不同的计算结果,对设计人提出更高要求,既要了解工程实际情况,也要掌握软件适用的条件、范围等,提高软件的针对性、适用性;由于计算机的程序并不可能与建筑结构完全相符,应用计算机辅助手段,可能产生人工输入错误或者由于软件缺陷而造成计算结果不准确等问题,因此通过计算机软件获得计算结果之后,必须经过设计人员的反复校核,确保计算结果的精准性、合理性,切忌生搬硬套。
2.5 采取针对性地结构措施
结合以往高层建筑结构设计的经验来看,应遵循“强剪弱弯”、“强柱弱梁”等原则,尤其关注薄弱部位(薄弱层),重视控制节点构造,同时考虑到温度应力、延性等因素,避免因构造不当对构件产生负面影响。
高层建筑结构设计的注意问题
3.1 结构超限问题的控制
我国有关高层建筑结构设计的相关规范以及抗震标准等,对建筑的高度及规则性提出了较高的要求,很多高层结构会遇到超限问题。超限问题主要体现在建筑结构高度及规则性两个方面,对建筑结构的经济型与安全性影响较大,对此类情况应进行综合全面的分析尽量避免或减少,并应采取有效措施予以加强;适当情况下应考虑性能设计目标加以控制以确保结构安全性。
3.2 嵌固端的设置
对于高层建筑来说,一般设置1层或者1层以上的地下室、人防工程等,因此可能在地下室的顶板位置设置嵌固端,或者在人防顶板位置设置嵌固端。但是在实际进行结构设计过程中,一些工程师忽略了嵌固端设计中需要注意的问题。例如,嵌固端的楼板设计要点、嵌固端上下的刚度比、结构抗震缝的设计以及与车库的衔接构造等;如果忽略了其中某个环节,都将对结构整体性产生影响,甚至留下抗震安全隐患,这一点必须充分重视。
3.3 保持结构规则性
对于结构的规则性,在当前新规范中提出了较多限制条件,如平面规则性、嵌固端的上下层刚度比等;同时提出高层建筑不得采用“严重不规则”的设计方案,应在设计中应引起高度重视,确保结构的安全性、经济型以及施工简便性。
综上所述,随着高层建筑的与日俱增,高层建筑设计尤其是结构设计越来越重要。作为结构工程师,除了掌握基本的专业知识以外,还要具备复合型能力水平,了解现代化信息技术,提高结构计算的完整性、精确性,结合工程具体情况,最终确定最合理、最经济、最合适的方案,解决设计过程中可能遇到的各种问题,推动我国高层建筑的优化发展。
参考文献:
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【关键词】高层建筑;结构设计;设计原则;问题
随着我国科技的进步,建筑行业得到了不断发展,在建筑建设过程中,建筑的使用性能得到了大幅度提升,从而为为高层建筑结构设计创造了有利条件。然而,对目前而言,我国高层建筑结构设计中仍存在着着一些问题,影响到建筑结构的耐久性和安全性。因此,本文结合工作实践,主要论述了高层建筑结构设计的特点及相关问题,以供参考。
1 高层建筑结构的特点
高层建筑结构与低层的建筑结构不同,它承受着水平荷载和竖向荷载,其中水平荷载是由风荷载或地震作用所产生的,竖向荷载主要由于建筑物自重所引起的。通常情况下,低层建筑结构受到的水平荷载比较小,竖向荷载也比较小。但在高层建筑中,外界地震和外界风力会对高层建筑产生相当大的影响,并且是对高层建筑荷载的主要因素。随着建筑物高度的不断增加,高层建筑的位移较快的增长。但是,高层建筑过大的侧移不仅会影响人的舒适度,还会对建筑物的使用产生影响。鉴于此,在进行高层建筑结构设计的时候,必须将侧移控制在合理的范围之内,使高层建筑物的舒适度不会影响人的使用要求。
2 高层建筑结构设计的原则
(1)选择合理的计算简图。在计算简图的基础上,对高层建筑结构设计进行计算,如果计算简图的选择不合理,会造成结构不合理,容易出现由于结构不合理而发生安全事故。所以,要保证建筑结构设计的安全,必须选择合理的计算简图,计算简图尽可能反映结构的受力情况;计算简图尽可能使力学计算简化。此外,为了保证计算简图的安全,在实践中,我们需要采取相应的构造方法。在实际的结构设计中,其结构节点不仅仅局限于刚节点或者饺节点,将计算简图的误差尽量控制在规范的规定范围内。
(2)选择合理的基础设计。在进行基础设计选择的时候,需要按照高层建筑的地质条件进行。并且,对高层建筑上部的结构类型与荷载分布进行综合分析,同时对施工条件以及相邻建筑物的影响进行全面的考虑,在综合分析和考虑的基础上选择科学合理的基础方案。需要注意的是,基础方案的选择需要使地基的潜力能够得到最大的发挥,必要时需要对地基变形进行检测。
(3)选择合理的结构方案。合理的结构方案必须满足高层建筑设计的结构形式和结构体系的要求,符合安全、经济、合理的原则,以获得最佳的结构设计方案。受力在明确、传力简单是结构体系的基本要求,在相同的结构单元中,应该选择相同的结构体系。选择合理的结构方案的时候,需要分析地理条件、工程设计需求、施工条件、施工材料等等,在对这些指标进行综合分析的基础上进行结构选择,以确定最佳的结构方案。
3 高层建筑结构设计中相关问题分析
3.1 高层建筑结构受力性能问题
在高层建筑的初步方案设计时,建筑结构设计人员考虑更多的是它的空间组成特点,而不是详细地确定它的具体结构。高层建筑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,所以,在高层建筑方案的初步设计阶段,就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。
3.2 高层建筑结构设计中的侧移和振动周期
建筑结构的建筑结构的振动周期问题包含两方面:合理控制结构的自振周期控;制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。
(1)结构自振周期
高层建筑的自振周期(T1)宜在下列范围内:
框架结构:T1=(0.1~0.15)N
框―剪、框筒结构:T1=(0.08~0.12)N
剪力墙、筒中筒结构:T1=(0.04~0.10)N
N为结构层数。
结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内:
第二周期:T2=(1/3~1/5)T1;第三周期:T3=(1/5~1/7)T1。
(2)共振问题
当建筑场地发生地震时,如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近,建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期,通过调整结构的层数, 选择合适的结构类别和结构体系,扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别,避免共振的发生。
(3)水平位移特征
水平位移满足高层规程的要求,并不能说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素。因为结构抗震设计时,地震力的大小与结构刚度直接相关,当结构刚度小,结构并不合理时,由于地震力小则结构位移也小,位移在规范允许范围内,此时并不能认为该结构合理。因为结构周期长、地震力小并不安全;其次,位移曲线应连续变化,除沿竖向发生刚度突变外,不应有明显的拐点或折点。一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型;框架结构的位移曲线应为剪切型;框―剪结构和框―筒结构的位移曲线应为弯剪型。
3.3 位移限值、剪重比及单位面积重度
(1)位移限值在结构整体计算的输出结果中,结构的侧移(包括层间位移和顶点位移)是一个重要的衡量标准,其数值大小从一个侧面反映出结构的整体刚度是否合适,过大或过小都说明结构刚度过小或过大,以致要引起设计者对其中的结构体系选择、结构的竖向及平面布置合理性的再思考。
(2)剪重比及单位面积重度结构的剪重比(也即水平地震剪力系数)λ =VEK/G 是体现结构在地震作用下反应大小的一个指标,其大小主要与结构地震设防烈度有关,其次与结构体型有关,当设防烈度为7 、8 、9度时,剪重比分别为0.012,0.024,0.040;扭转效应明显或基本周期
以上两个指标不仅在施工图设计阶段,而且在初步设计阶段都是非常重要的数据,其数值正常与否从另一个侧面反映出结构体系的选择是否合适,结构布置(包括构件截面确定)是否合理,电算数据输入是否正确,以及最后决定电算结果是否可信可用等,因此结构设计者对这两个指标切不可掉以轻心,更不可认为是无关紧要的。
4 结语
总之,高层建筑结构设计是一项技术性和综合性很强的工作,它对建筑设计具有十分重要的指导意义。随着高层建筑也在日新月异的发展,对结构设计的要求也越来越高。本文通过分析了高层建筑结构的特点和原则,提出了高层建筑结构设计中相关问题,旨在为类似的工程提供参考依据。
【参考文献】
改革开放以来随着经济的不断发展,综合国力的不断提高,房地产业迅猛发展,建筑业逐渐成为社会支柱产业,由于土地资源的紧缺,高层建筑在众多建筑形式中脱颖而出,而在目前在工程设计领域中,高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点,对其具体的分析与论述也就显得更加的重要,设计师们设计了很多新的结构体系,如何更加合理的设计结构体系,做好结构设计,解决可能出现的问题,同时又满足人们各方面的要求,本文对这些问题进行了分析与论述,以提高建筑结构设计水平,这是值得我们探讨的问题。
关键词:高层建筑结构设计 分析
中图分类号:TU97 文献标识码:A
前言:
随着土地资源的日益紧张,高层建筑也如雨后春笋般迅速发展,数量剧增,结构体系也是越来越多样化,高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。面对如此形势,怎样满足建筑空间最大化怎样满足用户结构需求,为了高层建筑更加安全更加美观更加耐用为了更加的节约成本,为了更好地追求新的结构形式和更加合理的力学模型,我们必要了解结构设计的基本特点。一个经济合理的结构方案决定了建筑结构设计的合理性,同时还需选择一个切实可行的结构体系和结构形式。
高层建筑结构设计的特点
1.水平力是设计的主要因素
水平力在高层建筑结构设计中起着至关重要的作用,由于高度的不断增加,水平力的作用会使建筑物产生位移,水平力的设计我们可以给出数值是随着动力的变化而变化的。但同时也应注意建筑材料的选择,建筑结构体系的选择以及结构的合理布置。
2.侧向位移是重要控制指标高层建筑结构设计中,随着建筑高度的变高,侧移变形会快速增加,当然这是在水平荷载下结构的分析,这是的结构一定要保持足够的刚度及抵抗侧向力,结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规范规定的范围内。如侧向位移会产生主体结构构件出现较大裂缝,甚至损坏现象。
3.承载力是基础要素
与低层、多层建筑相比,高层建筑需要更严格的承载力。假使地基或桩基情况不发生改变,高层建筑设计也应该减轻自身的重量。如在高层建筑的抗风设计中,应保证结构有足够承载力,必须具有足够的刚度;控制在风荷载作用下的位移值,保证有良好的居住和工作条件;外墙、窗玻璃、女儿墙及其他围护和装饰构件,必须有足够的承载力,并与主体结构有可靠的连接,防止房屋在风荷载作用下发生部分损坏的可能。例如,建筑物质量过大会导致期重心在地震中发生倾覆力,会导致建筑物结构的抗震能力减弱。
4.结构延性是重要设计指标
高层结构在水平力作用下的形变一定会比底层建筑要大。所以,让建筑物结构设计具有一定的延性,能在实际中避免建筑物的倒塌。这样结构设计就变得可塑,变成具有一定变形能力的物体,这个好处又如弹簧可以回弹一样。
二、高层建筑的结构体系设计
随着社会经济的迅速发展和建筑功能的多样化,城市规划设计中的高层建筑越来越广泛。高层建筑结构设计影响着建筑物的规划、设计、构造和使用功能。其中结构体系设计成为是否经济合理进行高层建筑的关键。
1.框架结构体系
框架结构主要承重结构,由梁、柱、基础构成平面框架。对于框架柱而言,轴压比越小在往复水平上荷载下的滞回曲线也会越丰满,即耗能能力越大,延性就愈好。其优点:建筑平面布置灵活,可以依据自身的要求设计。其缺点:框架结构本身刚度不大,抗侧力能力差,水平荷载作用下会产生较大的位移,地震荷载作用下较易破坏。不高于巧层宜采用框架结构,可以达到比较好的经济平衡点。框架体系中,角柱的受力应该比别的柱差,为了防止角柱遭遇扭转变形或是弯压变形吗,柱截面不宜过小,同时还要加密箍筋,起到增加受压区混凝土约束的作用。注意事项:在框架结构体系中,一定要考虑高层建筑的底部柱,柱截面的大小要注意:在高层建筑中,应该尽量的三排柱结构设计方案;采用钢管混凝土柱、劲钢混凝土柱或是高强混凝土柱;通过增加体积配箍率或是沿着柱身增加箍筋达到提高延性。
剪力墙结构体系
当建筑结构的框架体系强度和刚度不能满足设计要求时,往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架,从而形成了框架一剪力墙体系。在承受水平力时,框
架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平剪力。当墙体受力主体全部由剪力构成的话,就会是剪力墙体机构,剪力墙结构体系是把建筑物墙体当作承受荷载的结构体系。对于剪力结构墙间距一般为3一8m,墙体同时作为维护及房间分隔构件。其优点:其刚度、强度都比较高,传力直接均匀,有一定的延性,整体性好,抗倒塌能力强,结构体系特征明显。现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好,刚度大,在水平荷载作用下钡U向变形小,承载力要求容易满足,适于建造较高的高层建筑。抗震性能力强,承受力好。其缺点:剪力结构墙间距设计方面不能太大,,空间平面布局不太灵活,自重大,开洞宜小等。注意事项:在高层剪力墙结构中,连梁的设计收到很多制约,刚度在高层建筑结构设计中,与剪力墙相连并且允许开裂可作刚度折减的梁称作连梁。应该选用跨高比较大的连梁,减少其剪切破坏,按常规设计方法配筋,进行截面抗剪设计,保证其延性。联系墙肢的连梁,不仅会影响剪力墙的受力,而且其本身的受力条件也比较复杂。在剪力墙结构设计中,必须坚持的原则就是强墙弱连梁,对连梁的刚度要进行折减,降低其抗弯能力。
3.筒结构体系
以筒体为抗侧力构件的结构体系统都称为筒结构体系,它包含单筒,多筒,复合筒等,它是由由一个或者几个简体为主抵抗水平力。也有把简体结构分为实腹筒、框筒及析架筒的说法。其优点:筒体结构体系能使整个建筑犹如一个固定于基础上的封闭空心的筒式悬臂梁来抵抗水平力,其是以空间受力为主,具有较大的刚度、强度、整体性,各构件受力比较合理,抗风、抗震能力强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。其缺点延展性能有问题,并且全部此阿勇成本高,造价高。注意事项:在建筑是讲多层筒体结构组合在一起能够产生更大抵抗水平荷载的能力,使结构具有更大抗力性,这样的结构也是多筒结构设计,如加哥西尔斯大楼就是9个筒结合在一起的多筒结构使其具有更好的刚性和能力。当然,还可以让筒体结构设计和其他结构设计一起运用,如带加强层的框架一一核心筒结构与一般的框架一核心筒结构在受力上更强大,当然除了这几种建筑结构体系外,还有其他一些结构体系,如网架,薄壳等。随着建筑业的不断发展,我们还会开发出更多、更加实用的结构体系,这就要求我们建筑设计师不断学习,不断创新。
结束语:
建筑结构设计是需要扎实的理论知识的,是一个整体性,系统性很强的工作,设计师具有创新的思维,既有认真负责的工作态度是结构设计成功的至关重要的基础环节。在结构设计时,设计人员要把每个环节做到了然于胸,重视每个基本的构件,密切配合其它专业来进行设计,并能深刻理解规范和规程的含义,然,这些都需要我们不断的反思和总结工作的经验教训。为何说高层结构专业在各专业中占有更重要的地位呢?高层建筑设计从安全,地基等更重方面都要比低层、多层建筑结构设计有更严格的要求。在高层建筑设计中,我们设计师能遇到能遇到各种问题,这就需要我们加强学习,不断强化自身对设计中运用科学的方式方法,把好高层设计的首要关口。
参考文献:
[1]安海峰.论高层建筑结构设计研究田.中小企业管理与为何说高层结构专业在各专业中占有更重要的地位呢?高科技,2010,(11).
关键词:高层建筑;结构设计;问题;措施
在城市不断发展的进程中,高层建筑的建设数量也在逐渐的增多,为了保证高层建筑建设的稳定性和安全性,就需要做好相应的结构设计工作,针对高层建筑结构设计中常见的问题进行全面的分析,并采取有效的措施对这些问题进行解决,以保障高层建筑结构设计的合理性,从而可以推动高层建筑施工的顺利开展,进而可以保障高层建筑建设的质量,以实现建筑行业的快速、可持续发展。
1 高层建筑的结构设计特点
1.1 建筑设计中的水平荷载
楼房的自身重量和建筑楼面所承受的荷载作用于竖向构件中,对于某一特定的高层建筑物来说,其竖向载荷能力基本上已经是定值,而在水平载荷的数值会随着建筑结构的动力特性的变化而不断变化。
1.2 建筑设计中的轴向变形
在高层建筑的结构设计中,建筑物竖向载荷的数值一般都比较大,如果设计时考虑不周,会在柱体中引起一定的轴向变形,对连续梁弯矩有一定的影响,而端支座的副弯矩值和跨中正弯矩则会出现增大的情况;在建筑设计中,需要根据轴向变形来计算相应的数值,对预制构件的下料长度进行细致的调整。
1.3 建筑设计中的结构延性
对于高层建筑物来说,它直对于一些较低的建筑物有更为柔和的建筑结构。为了使建筑结构在塑性变形后仍然具有良好的变形能力,避免出现建筑倒塌,我们在建筑设计时要采到一定的措施,以保证高层建筑的结构具有适合的延性。
2 高层建筑结构设计中的常见问题
2.1 底层框架-剪力墙砌体结构挑梁裂缝问题
高层建筑也具有多种类型,各种不同的高层建筑所采用的结构类型也会有所不同。一般来说,沿街的旅馆或者是办公楼、餐馆等一些具有大空间的房屋建筑,所采用的结构类型多为底层框架剪力墙砌体结构,拥有这种结构的房屋,上层部分采用的是多层砌体结构进行修建,而底层则采用的钢筋混凝土框架-剪力墙结构修建,在该类型的建筑房屋中,会划分出多个小空间,并且底部的空间具有一定的经济价值。然而,一些高层建筑设计者在对这类房屋结构进行设计的过程中,往往会因为过分的追求立面效果,而对建筑内部的使用面积进行过分的划分,在二层以上进行横墙的设置,并将外部的挑墙悬挂在挑梁上,这样就会使得挑梁的压力过大,尤其是底层的挑梁,在重大压力的作用下,就会出现严重的裂缝问题,从而影响到高层建筑的整体稳定性和质量。
2.2 楼板变形计算的问题
很多的时候,一些高层建筑在进行结构设计的过程中,由于缺乏相应的结构设计理念以及布置措施,就会应用楼板变形的方式来进行程序的计算,并进行结构的设计。虽然这种程序计算具有一定的科学性质,并且也真实的存在于数学力学模型中,但是应用这种程序计算却无法有效的计算出楼板的变形具体数值,计算的结果也并不准确,在计算结果并不准确的条件下,就无法有效的保障建筑整体结构计算的准确性,这样就会使得高层建筑结构设计中存在一些严重的安全隐患问题,从而就会严重影响到结构设计的质量,进而就会降低高层建筑整体的施工质量。
2.3 忽视了纵向框架
由于高层建筑自身的高度较高,而且施工的规模也较大,其抗震设计的要求也较为严格。为了使得其抗震设计水平得到提高,就需要从两个主轴方向入手,针对两个主轴进行分别计算,而这两个主轴就是指代的高层建筑框架结构中的纵向框架以及横向框架,这两个框架在高层建筑结构设计中都具有重要的作用。然而,很多的设计人员会忽视对纵向框架的设计,在进行抗震设计的过程中,只是单纯的进行横向框架的连接和设计,忽视了对纵向框架梁筋的连接和配置,从而无法有效的保障框架结构的稳定性。很多的设计人员对于地震的纵向作用力考虑的并不全面,这样就会使得其在进行框架设计的时候,忽略对纵向框架的合理设计和加固,从而使得纵向框架中没有支座负筋对框架结构进行支撑,并且也没有进行纵向跨筋的配置,在地震发生的时候,无法从纵向对高层建筑的整体结构形成保护。
3 对策
3.1 主梁有次梁处加附加筋
一般应优先加箍筋,附加箍筋可认为是:主梁箍筋在次梁截面范围无法加箍筋或箍筋短缺,在次梁两侧补上,像板上洞口附加筋。附加筋一般要有,但也不是绝对的。规范中说的比较清楚,位于梁下部或梁截面高度范围内的集中荷载,应全部由附加横向钢筋承担。位于梁下部的集中力应加附加筋。但梁截面高度范围内的集中荷载可根据具体情况而定。
3.2 平面及立面形式的选择
在高层建筑结构设计中,应尽量使建筑的三心尽可能汇于一点,达到三心合一。尽可能地使建筑物做到三心合一,所以平面和立面形式的选择很关键。在高层结构的抗震设计中,结构体系的选择、布置、构造措施比软件的计算结果是否精确更能影响结构的安全,除了考虑结构安全因素外,还要综合考虑建筑美观、结构合理及便于施工和工程造价等多方面因素。
3.3 水平位移要求
水平位移满足高层规程的要求,并不能说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素。因为结构抗震设计时,地震力的大小与结构刚度直接相关,当结构刚度小,结构并不合理时,由于地震力小则结构位移也小,位移在规范允许范围内,此时并不能认为该结构合理。因为结构周期长、地震力小并不安全;其次,位移曲线应连续变化,除沿竖向发生刚度突变外,不应有明显的拐点或折点。
结束语
综上所述,在高层建筑结构设计的过程中,还存在一些较为常见的问题,这些问题存在于建筑结构中的不同位置,也存在于不同的高层建筑结构类型中,但是这些问题的存在,都会对高层建筑结构的稳定性和安全性产生严重的负面影响,针对这些问题,要积极的采取各种有效的手段进行解决,相关的设计人员也要重新审视这些常见的高层建筑结构设计问题,并不断的对这些易出现设计问题的结构进行合理的改进,从而保障高层建筑结构设计的合理性,保障高层建筑结构的稳定性,从而使得高层建筑的施工质量可以得到有效的提升,以更好的推动建筑行业的发展。
参考文献
[1]安海玉,何彩云,丁永君.复杂高层建筑结构抗震设计分析[J].天津建设科技,2011(5).
1)课程知识点多且更新快,授课内容容易脱节。高层建筑结构设计是土木工程专业重要的传统课程,课程内容丰富,理论严谨,注重学生工程实践能力的培养。随着科学技术的进步和实验方法的完善,新的结构和新的技术不断出现,因此该课程的内容在不断扩充,分析设计方法也在不断完善,任课教师不了解新规范的变化,在教学过程中就很难将最新的知识传授给学生,和当前的设计方法脱节。
2)教学实践环节的针对性不强。培养工程实践能力是一般本科院校土木工程专业的人才培养目标,我校现实行的“3+1”的教学模式就是针对该人才培养目标提出的。所谓的“3+1”人才培养目标就是在本科四年中拿出一年的时间用于教学的实践环节,这里的实践环节包括各种课程设计和生产实习,学生通过课程设计会对一些基本结构和构件的设计有初步的了解,但在生产实习环节大多数学生从事的只是最基本的体力劳动,对实际工程的认识不够。现在高层建筑结构设计课程的每个知识点大多均为解决工程实际问题提炼而成,如果学生缺乏对工程结构的认识,那么对于高层结构中的概念设计、计算方法和构造措施就理解不够。
3)教学学时偏少,与抗震课程内容交叉重叠,教学方法与手段落后。在一般本科院校中,高层建筑结构设计为32学时,且开在第七学期,临近毕业学生面临就业、考研等多重压力,很难安心学习;在课程内容上高层建筑结构设计课程的内容与荷载结构设计方法、结构抗震设计的部分内容交叉重叠,分开教学导致知识点分散,教学效果不理想;课堂教学中大多采用传统的填鸭式教学方法,学生接触不到实际工程,体验不到以理论来指导实践的快乐,故无法激发学生的学习兴趣。
4)考核方式不尽合理。现在的高校仍然采用应试教育思想指导下的传统的考试模式,采用平时成绩加期末考试成绩的方法,考试形式单一、内容片面,很难全面客观地评价教学效果。作者根据近2年对高层建筑结构设计课程的考试方法进行改革,联系国家注册结构工程师的考试大纲和考核方式,让学生接触工程实践,让学生体会到学有所用的成就感,取得了一些成果。针对上述高层建筑结构设计教学中存在的些许问题,课题组的老师进行了相关的教学改革并在2012年申请了黑龙江省教育科学规划课题项目获得了资助。
2高层建筑结构设计课程改革的内容和方法
1)精简授课内容,避免不必要的重复。高层建筑结构设计是在荷载结构设计方法、钢筋混凝土结构、砌体结构和结构抗震设计课程修完之后开设的,与这些先修课程有着密切的联系,因此在教学过程中有部分内容交叉重叠,如竖向荷载和风荷载的计算;抗震设计中地震作用的计算;钢筋混凝土结构设计中框架结构的分析计算方法等这些内容均与先修课程重复,这就需要任课教师在满足教学大纲的前提下充分做好授课计划,事先做好已有知识和新内容之间的区分和衔接,避免与前述课程内容重复,造成学时的不必要浪费。在课堂讲解中做到重复的内容讲差别,相似的内容讲典型,重点锻炼学生运用计算方法和分析方法解决问题的能力,提高工程实践能力。
2)在课程内容的设置上,注重加强学生对概念设计的理解。在现有的高层建筑结构设计教材中,概念设计一般位于教材的第一、第二章,主要讲解结构体系与布置原则,但实际上,概念设计贯穿于结构设计的全过程。在教学中以生动易于学生理解的实例讲解晦涩难懂的理论,让学生从根本上理解。
3)改革考核方式,重点提高学生的知识运用能力。在土木建筑行业,与高层建筑结构设计相关的行业规范是《高层混凝土结构技术规程》和《抗震设计规范》。在土木工程专业课的学习过程中,大多数学生都以教材为主,而很少学习规范或者阅读一些参考资料,这就违背了一名未来土木工程师所必须遵循的基本理论。为了培养学生的工程师意识,在授课过程中适时引用规范中的条文进行讲解说明,既可以使学生接触到行业发展的最新动态,又对学生将来走上工作岗位后,考取注册结构工程师的职业资格有一定帮助。在考核方式上,采用注册结构工程考试的考试模式,开卷考试,在考试过程中可以携带相关教材以及规范,重点考核学生运用所学理论知识解决实际工程问题的能力,这样学生对知识点的理解更深刻、掌握更扎实,达到“卓越工程师”的人才培养目标。
4)强化课程设计、毕业设计、设计竞赛等环节,提高学生实践创新能力。在高层建筑结构课堂理论教学中,采用“五延伸”的教学方法,理论教学向现场、课程设计、毕业设计和各种知识竞赛、设计竞赛延伸,进一步提高学生的设计实践能力和创新思维能力。
a.课内教学向实验现场延伸,能够使学生对各种不同的结构有感官的认识,激发学生学习的兴趣。
b.课内教学向课程设计延伸,采取手算为主、电算校核、手算电算相结合的方式开展课程设计,使学生进一步加深对基本理论和计算方法的理解,初步体验到成功的乐趣。
c.课内教学向毕业设计延伸,毕业设计是土木工程专业最为重要的实践环节,通过毕业设计,使学生具备基本的设计能力,初步具备结构工程师的基本素质,实现“卓越工程师”的人才培养目标。
d.课内教学向设计竞赛、学科知识竞赛延伸,组织校内各种设计竞赛,为学生创造出良好的培养动手能力的环境,鼓励学生积极参加省内及全国大学生结构设计大赛,开阔学生的眼界,培养学生的创新能力。
e.课内教学向课外科技活动延伸,积极组织学生参加课外科技活动,参与到教师的科研活动中来,激发学生的创新科研能力。
3结语
[关键词]高层建筑结构设计建议
中图分类号:T2 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)07-0163-01
随着社会的不断进步和科技的不断发展,高层建筑越来越广泛的出现在城市建设中。高层建筑的结构设计已经成为了高层建筑设计的重点内容,因此,研究高层建筑结构设计的问题是非常重要和有意义的。在对高层建筑进行结构设计时,必须以高层建筑结构设计理论为基础,对影响高层建筑结构的主要因素进行深入的分析研究,做到精心设计,确保质量、安全。
1、高层建筑结构设计的特点
相对多层建筑而言,高层建筑结构设计所占的地位要重要得多,这是由于高层结构形式的选择将直接关系到建筑物的平面、立面、层高、设备安装、施工技术以及工程造价等多方面因素。不当的结构形式不仅会影响使用功能和造价,严重的还会影响其抗震性能,危害建筑物安全。其特点主要有:
1.1 水平荷载成为决定因素
在多层房屋的结构设计中,由结构自重产生的重力决定着结构设计,而在高层建筑中,水平荷载却起着决定性作用。其原因一方面,因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与楼房高度的一次方成正比;而另一方面根据力学原理,由水平荷载对结构产生的倾覆力矩在构件中引起的轴力,则与楼房高度的两次方成正比。水平荷载主要包括风荷载和地震作用,其大小与结构的动力特性有关,是高层结构设计的重点。
1.2 结构侧移是高层结构设计中的关键指标
随着楼房高度的增加,水平荷载作用下结构的侧向位移随着建筑物高度的增加而迅速增大,与建筑高度的 4次方成正比,并且由于新材料及新的建筑形式的应用, 其侧向位移也迅速增大。如果侧向位移控制不好,轻则使居住人员有着不安全的感或使填充墙等建筑装饰开裂,重则导致房屋侧塌, 影响结构安全,因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
1.3 抗震性能是重要因素
小震不坏、大震不倒是高层建筑抗震设计的基本要求。高层建筑结构的抗震设计,除了要考虑常规设计中的竖向荷载、风荷载外,还必须考虑地震载荷,使结构具有良好的抗震性能。
2、目前高层建筑结构设计的常见问题
2.1 高度问题
按我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)规定,综合考虑经济与适用的原则,给出了各种常见结构体系的最大适用高度。可实际上,已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。
2.2 抗争性能问题
由于国家财力物力有限,我国建筑结构我国现行抗震设防标准比较低,另外具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外;在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上,与外国相比,也有异同,其中的8度区,我国就明显不如外国严格。随着社会财富的增长,结构失效带来的损失愈来愈大,加之结构造价在整个投资中的比例下降,
2.3 材料的选用和结构体系问题
在地震多发区,采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力,有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主,变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大,靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移,不仅增大了钢结构的负担,而且效果不大。
3、提高高层建筑结构设计质量的建议
3.1 合理选择建筑结构的材料和形式
根据高层建筑结构的材料将高层建筑的结构体系分为钢筋混凝土结构体系,钢结构体系,钢-混凝土混合结构体系以及钢-混凝土组合结构系。根据结构形式可以将高层建筑结构分为框架结构体系,剪力墙结构体系,框架-剪力墙结构体系。利用柱,梁等结构体系作为高层建筑竖向承重的结构,并且承受水平荷载,这种结构侧向位移大,框架结构内力大,适于50m高度以下的建筑;通过高层建筑的墙体当做抵抗侧力和竖向承重的结构体系,就是剪力墙结构体系。这种剪力墙结构的刚度大,整体性能好,不易受水平力作用发生变形,适应于高层建筑,但是由于剪力墙的间距小,使得平面的布置不灵活,因此,在公共建筑中不宜使用;利用框架和剪力墙组合的而构成的结构形式就是架-剪力墙结构体系,这种结构形式不但具有实用性强,布局灵活的优点,同时承水平负载的能力更高,在高层建筑中被广泛使用。
3.2 优化结构构件设计
(1)增加抗弯结构体系的有效宽度,以调整结构的抗侧刚度。这样做,是非常直接的,也是非常有效的。增加宽度可以直接增大抵抗力臂,从而减小抗倾覆力。从材料力学的基本知识可以知道,同样面积、抗倾覆力同结构宽度的关系不同形状,可以获得不同的其几何特征。例如:相等面积的条件下,工字形截面的截面惯性矩要大于矩形截面,而矩形截面又要大于圆形截面。根据这个原理,不难理解加大宽度以后,整个结构的抗侧刚度得到很大提高。
(2)剪力墙超筋的情况。剪力墙暗柱超筋。软件中设定的暗柱最大配筋率是4%,而各规范以边缘构件方式给出了剪力墙主筋的配筋面积,没有最大配筋率。所以当程序给出剪力墙超筋的警告信息时,可以酌情考虑;当剪力墙连梁超筋时,通常表明其在水平地震力作用下抗剪承载力不够。
3.3 设置变形缝
(1)沉降缝的设置。在建筑物的下列部位应设置沉降缝:地基土的压缩性有明显差异处;平面形状复杂的建筑物转折部位;高度差异或荷载差异处;建筑结构(或基础)类型不同处;过长的砖石承重结构或钢筋混凝土框架结构的适当部位;局部地下室的边缘;地基基础处理方法不同处。
(2)伸缩缝的设置排架结构的柱高(从基础顶面算起)低于sm时,宜适当减小伸缩缝间距。
3.4 结构的超高问题
在抗震规范和高规中,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级高度以外,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。
3.5 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。
3.6 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。
4、结语
高层建筑的结构设计是一项综合性的技术工作,对于建筑的设计有着非常重要的作用和意义。随着我国高层建筑的不断发展,高层建筑的结构设计的要求越来越高,从高层建筑的结构特征来看,在高层建筑结构设计中,结构工程师应从结构的安全、使用功能、建筑美观等方面进行全盘考虑,运用掌握的知识和经验处理实际遇到的各种问题,才能设计出安全合理的高层建筑结构。
参考文献
[1] 王旭.高层建筑结构设计及结构选型探讨[J].价值工程,2010.2.
关键词:高层建筑; 结构设计;设计特点 ;抗震设计
中图分类号:TU97文献标识码:A文章编号:
引言:
结构设计是个系统全面的工作,在此过程中出现任何问题或者失误,都极有可能导致整个设计变得更为复杂,甚至结构的不安全。结构设计人员需要扎实的理论知识功底,深刻理解规范和规程的含义,灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度,发展先进计算理论,加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用,使建筑结构设计更加安全、适用、可靠和经济。1.高层建筑结构设计的意义及依据
1.1概念设计的意义高层建筑能做到结构功能与外部条件一致,充分展现先进的设计,发挥结构的功能并取得与经济性的协调,更好地解决构造处理,用概念设计来判断计算设计的合理性。
1.2概念设计的依据高层建筑结构总体系与各分体系的工作原理和力学性质,设计和构造处理原则,计算程序的力学模型和功能,吸取或不断积累的实践经验。
2.高层建筑结构设计的特点
高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较,结构专业在各专业中占有更重要的位置,不同结构体系的选择,直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有:
2.1水平力是设计主要因素
在低层和多层房屋结构中,往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中,尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响,但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与建筑高度的一次方成正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力,是与建筑高度的两次方成正比。另一方面,对一定高度建筑来说,竖向荷载大体上是定值,而作为水平荷载的风荷载和地震作用,其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。
2.2侧移成为控制指标
与较低楼房不同,结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加,水平荷载下结构的侧移变形迅速增大,因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
2.3抗震设计要求更高
有抗震设防的高层建筑结构设计,除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外,还必须使结构具有良好的抗震性能,做到小震不坏、大震不倒。
2.4轴向变形不容忽视
高层建筑中,竖向荷载数值很大,能够在柱中引起较大的轴向变形,从而会对连续梁弯矩产生影响,造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大;还会对预制构件的下料长度产生影响,要求根据轴向变形计算值,对下料长度进行调整;另外对构件剪力和侧移产生影响,与考虑构件竖向变形比较,会得出偏于不安垒的结果。
2.5结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言,高楼结构更柔一些,在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力,避免倒塌,特别需要在构造上采取恰当的措施,来保证结构具有足够的延性。
3.高层建筑结构设计的方法
3.1确定合理的基础设计方案。一般来说,高层建筑的基础设计中,应当依据工程地质条件、上部的结构类型、荷载的分布、相邻各建筑物的影响与施工条件等综合因素开展分析,挑选出符合经济合理原则的基础性方案。在基础设计阶段,就要形成完整的地质勘察材料,对于部分缺乏地质报告的建筑物,也要实施现场查看,并参考附近建筑物的相关资料。
3.2确定最合适的结构方案。成功的建筑物设计一定要选择相对而言最为经济合理的结构方案,也就是说要选择切实可行的结构形式与结构体系。因此,一定要对工程设计要求、材料供应及施工情况做出综合分析,和水、暖、电等一起开展协商,并以此为基础开展结构选型,并确定合理的结构方案。
3.3确定合适的计算简图。结构计算主要是在计算简图基础之上开展的,由于计算简图选用不合理而造成结构不够安全的事件常常发生,所以,挑选合理的计算简图是确保结构安全的一个重要因素。计算简图应当有一定的构造来进行保证。因为实际结构之节点不会是单纯的刚结,但是,计算简图误差要控制在允许的范围内。
3.4准确分析计算的结果。在高层建筑结构设计当中广泛采用了计算机技术,但是如今软件的种类极多,而不同软件常常会出现不一样的计算结果。都会造成错误的计算结果,所以需要工程师在得到计算之后进行认真分析与校核,并做出最为合理的判断。
3.5运用合理的构造方法。要注重构件的延性,强化其中的薄弱位置。要注重钢筋锚固之长度,并考虑到温度应力之影响。此外,还要注重根据均匀、对称与规范之考虑,对平面与立面进行布置,并尽力避免出现薄弱部分,而要利用极限状态进行验算等,均需依靠设计作为指导。
4.根据不同类型高层建筑, 选择合理的结构体系
4.1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。
4.2结构的超高问题
在抗震规范与高规中, 对结构的总高度都有严格的限制, 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 级高度的建筑外, 增加了 b级高度的建筑, 因此, 必须对结构的该项控制因素严格注意,一旦结构为 b级高度建筑甚或超过了 b 级高度,其设计方法和处理措施将有较大的变化。 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。
4.3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固端的设置、 结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题, 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。
4.4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。
5.高层建筑的抗震设计
高层建筑在承担必要的建筑物垂直荷载以外,更为重要的是要能有效承受侧向风荷载及地震的冲击。我国目前的抗震设计规范,对与建筑物的抗震提出三大水准之设防要求、两阶段的设计方式,其中,第一阶段之设计应当运用第一水准烈度之地震动参数,从而计算出建筑结构在弹性状态之下的地震效应及构件的截面大小。在第二阶段的设计中,应当采用第三水准烈度之地震参数核算结构薄弱层,或者对薄弱环节弹塑性层间进行侧向位移或转角,从而使设计小于规范所规定之限值。
6.结论
高层建筑的结构设计问题是一个长期而复杂的过程,也是建筑师开展设计工作的重点与难点。打破建筑结构设计中的墨守成规,充分发挥自身的创新能力,才能设计出具有过硬质量的品质工程。
参考文献: