高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常金鳳

摘要： 高層建筑結(jié)構(gòu)與多層建筑在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、整體穩(wěn)定性、構(gòu)件截面的選擇、重要部位的延性和整體的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)都大不相同，兩者設(shè)計(jì)特點(diǎn)也不盡相同。本文主要分析高層結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)，總結(jié)了在相關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程中容易出現(xiàn)的一些遺漏和錯(cuò)誤，結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，提出了相應(yīng)的注意事項(xiàng)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞： 高層建筑；混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建筑結(jié)構(gòu)；建筑設(shè)計(jì)

引言：高層建筑因其高度及層數(shù)的增多，使其在具有傳統(tǒng)多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)外，還具有高層建筑結(jié)構(gòu)獨(dú)有的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)方案的選取顯得更為重要，由于建筑高度及層數(shù)增加，結(jié)構(gòu)所受地震作用及風(fēng)荷載更加突出，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載，因此高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中更加注重結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系設(shè)計(jì)。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇

1.1 高層結(jié)構(gòu)體系分類

高層常用的主體結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類型有筒中筒、框架-核心筒以及其他組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要可設(shè)置帶加強(qiáng)層。樓蓋結(jié)構(gòu)宜采用預(yù)應(yīng)力或非預(yù)應(yīng)力扁梁、寬扁梁，大開(kāi)間平板或壓型鋼板組合樓板等有利于減少樓蓋高度的結(jié)構(gòu)形式。

1.2 高層結(jié)構(gòu)體系選用原則

對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)，水平風(fēng)荷載和地震作用是控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素，豎向荷載所需結(jié)構(gòu)材料的數(shù)量與層數(shù)成線性關(guān)系增加，抵抗水平荷載所需結(jié)構(gòu)材料的數(shù)量與高度成指數(shù)關(guān)系增加。因此，選擇結(jié)構(gòu)體系時(shí)應(yīng)選擇最高效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。在選擇結(jié)構(gòu)體系時(shí)除了要考慮荷載作用的影響外，還應(yīng)考慮非荷載作用的影響，例如混凝土徐變收縮、溫度變化、地基差異沉降等使結(jié)構(gòu)內(nèi)部變形對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。結(jié)構(gòu)體系選用的基本原則為：結(jié)構(gòu)在豎向重力荷載作用下受力均勻；平面均勻、體型簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量沿豎向均勻變化，結(jié)構(gòu)有足夠的抗扭剛度。

2 高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及要點(diǎn)

2.1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

相比于多層建筑，高層建筑由于其建筑高度大，層數(shù)多，其結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)、抗側(cè)力構(gòu)件的布置和構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)等各方面都有所不同。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)師具有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，清晰的結(jié)構(gòu)概念，從宏觀到微觀把握好整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，從結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)計(jì)算具體到某一個(gè)構(gòu)件的配筋都要認(rèn)真仔細(xì)做好設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)側(cè)向力：在多層建筑中，水平地震作用及風(fēng)荷載相對(duì)較小，不是主要控制荷載；但在高層建筑中，側(cè)向水平力隨高度增加而逐漸增大；結(jié)構(gòu)的延性：高層建筑由于高度的增加，需要更好的結(jié)構(gòu)延性來(lái)消耗及抵抗地震作用，這樣整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)在水平地震作用下，才能具有良好的變形能力和耗能機(jī)制，為人們?cè)诘卣鸢l(fā)生時(shí)爭(zhēng)取更寶貴的逃生時(shí)間。結(jié)構(gòu)的剛度：高層建筑的結(jié)構(gòu)高度越大，層數(shù)越多，自身質(zhì)量也就越大，隨之而來(lái)的就是結(jié)構(gòu)所受水平地震作用也逐漸變大，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移與其所受水平力為線型關(guān)系。因此在對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，需要合理的布置其數(shù)量和位置，使整體結(jié)構(gòu)具有合適的抗側(cè)力剛度，降低結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移滿足正常使用極限狀態(tài)的要求，結(jié)構(gòu)剛度不宜過(guò)剛或過(guò)柔，不宜出現(xiàn)剛度突變等不利因素。

2.2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

2.2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注重概念設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)教育方式使結(jié)構(gòu)工程師對(duì)結(jié)構(gòu)總體的方案不夠關(guān)注，首先考慮細(xì)節(jié)問(wèn)題，認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是規(guī)范+計(jì)算，只包括強(qiáng)度和變行的計(jì)算，而忽略了結(jié)構(gòu)整體的概念設(shè)計(jì)，概念設(shè)計(jì)應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有重要的地位，是影響后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程造價(jià)、結(jié)構(gòu)安全的主要因素，因此應(yīng)該引起廣大工程師的重視。做好結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)師應(yīng)該首先從建筑結(jié)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)入手，從宏觀上把握好該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方向及自己想要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定好結(jié)構(gòu)所需要的理想承載力、剛度和延性的目標(biāo)，在總體設(shè)計(jì)目標(biāo)的知道下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案布置，整體指標(biāo)計(jì)算，構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算等工作，由宏觀到微觀，由整體到局部的設(shè)計(jì)方向來(lái)完成高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該剛?cè)峤Y(jié)合，并設(shè)置多道防線

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不應(yīng)一味追求加大結(jié)構(gòu)的整體剛度來(lái)抵抗地震作用，這樣不僅會(huì)造成浪費(fèi)，而且還可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成很大危害。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮使結(jié)構(gòu)具有一定的剛度和承載力來(lái)抵抗地震作用及風(fēng)荷載，在多遇地震下結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性工作狀態(tài)，在第一道防線屈服后，使結(jié)構(gòu)具有足夠大彈塑性變形能力和延性來(lái)消耗地震作用。然后根據(jù)多道設(shè)防目標(biāo)，再?gòu)木唧w的結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)中滿足要求。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

3.1 高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

高層建筑因其結(jié)構(gòu)層數(shù)多，荷載大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)高等因素，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不應(yīng)忽視基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)選型應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，因地制宜，選用合理的基礎(chǔ)形式。高層剪力墻結(jié)構(gòu)因其上部荷載較大，多選用筏板基礎(chǔ)或者樁基礎(chǔ)。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不僅要滿足承載力的要求，地基的沉降也是高層建筑必須要驗(yàn)算的指標(biāo)，應(yīng)選用地質(zhì)條件好的土層為地基持力層，選取整體剛度好的基礎(chǔ)形式，來(lái)減小高層建筑的沉降差，沉降量，來(lái)達(dá)到工程的要求。最后，高層建筑受水平荷載影響較大，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的傾覆，故高層建筑的基礎(chǔ)埋深不能過(guò)淺，這點(diǎn)設(shè)計(jì)師容易忽略，造成嚴(yán)重后果，基礎(chǔ)應(yīng)該埋置一定深度來(lái)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 選擇合理結(jié)構(gòu)嵌固端

由于嵌固端的位置選取會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)和內(nèi)力配筋產(chǎn)生很大影響，所以在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)，需要根據(jù)土體約束、上下層結(jié)構(gòu)剛度來(lái)合理的確定結(jié)構(gòu)嵌固端的位置，使計(jì)算模型符合實(shí)際情況。

3.3 其它需要注意問(wèn)題

結(jié)構(gòu)的傳力路徑應(yīng)簡(jiǎn)單直接，盡可能避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)倒塌的情況；應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心靠近，避免在地震力及風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)影響；結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)該盡量連續(xù)，避免出現(xiàn)剛度突變，軟弱層和薄弱層的出現(xiàn)[1]。

4 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

4.1 優(yōu)化建筑整體結(jié)構(gòu)的方案布置，合理布置結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的平面位置、構(gòu)件截面尺寸、避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的偏心、扭轉(zhuǎn)、剛度突變等情況，最大限度的發(fā)揮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力和抗震延性，不宜出現(xiàn)部分構(gòu)件承載力接近極限，部分構(gòu)件還未充分發(fā)揮承載力得情況。對(duì)于剪力墻的布置，可以采取周邊、均勻、對(duì)稱的原則來(lái)布置，在豎向上宜盡量連續(xù)，避免出現(xiàn)承載力和剛度的突變[2]。

4.2 把握好建筑整體結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的耗能能力，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性、瞬時(shí)的破壞。在遭遇罕遇地震和較強(qiáng)的水平風(fēng)荷載時(shí)，高層建筑由于自身高度較大的因素，結(jié)構(gòu)就需要足夠的抗側(cè)剛度和良好的延性來(lái)抵抗水平荷載[3]。允許結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件首先出現(xiàn)塑性鉸，這樣就可以不斷的消耗掉地震的能量，避免重要構(gòu)件發(fā)生破壞，造成嚴(yán)重后果。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要把握好關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)，如豎向抗側(cè)力構(gòu)件、傳遞水平力構(gòu)件。把握好結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)，不僅能在地震下保證結(jié)構(gòu)安全，也能減少工程造價(jià)。

結(jié)束語(yǔ)：

為了應(yīng)對(duì)飛速發(fā)展的城市化運(yùn)動(dòng)，提高土地利用率，高層建筑得到了廣泛運(yùn)用和蓬勃發(fā)展。高層建筑具有其自身復(fù)雜性及特殊性，現(xiàn)階段高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)措施都有了很大的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，新技術(shù)、新材料的不斷出現(xiàn)，使人們可以向更高、更復(fù)雜的建筑方面進(jìn)行探索，高層建筑結(jié)構(gòu)未來(lái)的發(fā)展空間還很大，需要設(shè)計(jì)師們進(jìn)一步的發(fā)展和完善，爭(zhēng)取獲得更好的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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