關(guān)于高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見問題的探討

1、<p>　　關(guān)于高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見問題的探討</p><p>　　摘要：隨著高層建筑在我國的快速發(fā)展，建筑高度日益增加，建筑類型也日新月異，高層建筑的難度也相對增大。因此，作為一名建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員如何在高層建筑設(shè)計(jì)階段做好高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決可能出現(xiàn)的問題，是目前設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)重要課題。本文作者結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的一些問題進(jìn)行了簡單探討，僅供相關(guān)人員參考學(xué)習(xí)。 </

2、p><p>　　關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；常見問題 </p><p>　　中圖分類號：TU972文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　基于我國社會經(jīng)濟(jì)和建筑業(yè)的迅速發(fā)展，建設(shè)用地日趨緊張，使得城市建筑物不斷向高發(fā)展，同時(shí)高層建筑類型及功能也越來越復(fù)雜，這就需要設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高層建

3、筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要依靠自己掌握的知識，更要根據(jù)具體情況來分析和解決可能遇到的各種問題。下面本人結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的問題進(jìn)行簡單探討，僅供同行參考學(xué)習(xí)。 </p><p><b>　　1 高層建筑概述 </b></p><p>　　1.1高層建筑定義。迄今為止，世界各國對多層建筑與高層建筑的劃分界限并不統(tǒng)一。同一個(gè)國家的不同建筑標(biāo)準(zhǔn)，或者同一建筑

4、標(biāo)準(zhǔn)在不同時(shí)期的劃分界限也可能不盡相同。 </p><p>　　1.2高層建筑結(jié)構(gòu)體系。目前高層住宅主要有分為以下結(jié)構(gòu)體系：1）剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻是高層住宅最常用的結(jié)構(gòu)體系,采用剪力墻結(jié)構(gòu)可以減少非承重隔墻數(shù)量,一般用鋼量比框剪結(jié)構(gòu)少,而且室內(nèi)無外露梁柱,用戶比較喜歡。2）框架輕體墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻混合結(jié)構(gòu)體系。這種體系能使高層住宅大幅度降低自重,又能使內(nèi)部空間分隔有更大的靈活性,因而在國內(nèi)被廣泛使用。3）筒

5、形結(jié)構(gòu)體系。超過30層以上的高層建筑受到較大的側(cè)力,為一般結(jié)構(gòu)體系所不能承受,而筒形結(jié)構(gòu)的剛度較大,中央設(shè)有井筒,外圍設(shè)置的柱子形成筒狀柱網(wǎng),核心井筒與周圍框架共同工作,形成抗側(cè)力極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系。核心井筒作為電梯間、樓梯間、設(shè)備管道間使用。井筒與四周鋼筋混凝土柱網(wǎng)之間有橫梁或板聯(lián)系。全部的內(nèi)隔墻為輕質(zhì)墻,外墻為保溫的圍護(hù)墻。內(nèi)外筒之間可以自由分隔,十分靈活。4）其他結(jié)構(gòu)體系。高層建筑的新結(jié)構(gòu)體系大部分是探索性的,如筒中筒結(jié)構(gòu)的發(fā)展,或者

6、束狀筒的組合,外筒桁架交錯(cuò),以中心井筒懸掛式結(jié)構(gòu)以及很高的桁架梁的體系等。 </p><p>　　2 高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見問題 </p><p>　　2.1 基礎(chǔ)埋深問題 </p><p>　　基礎(chǔ)應(yīng)該要有一定的埋深，埋置深度可以從室外地坪一直算到基礎(chǔ)底面，對于獨(dú)立的高層建筑而言，基礎(chǔ)埋深比較容易確定，但當(dāng)今多數(shù)高層建筑與地下車庫都是相互連接的，當(dāng)?shù)叵萝噹旎A(chǔ)采用筏板基

7、礎(chǔ)或設(shè)有防水底板的獨(dú)立基礎(chǔ)(防水底板不宜太薄)時(shí)，高層建筑的基礎(chǔ)埋深可從室外地坪算起，此時(shí)高層建筑地下室頂板及地下車庫頂板應(yīng)按嵌固層要求設(shè)計(jì)，地下車庫應(yīng)有足夠的側(cè)向剛度作為高層建筑的側(cè)限。假如不滿足以上條件的時(shí)候，高層建筑的基礎(chǔ)埋深應(yīng)該要從地下車庫地面算起。目前高層建筑通常設(shè)地下室來滿足埋深要求，此種做法主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：1）提高地基承載力。當(dāng)高層建筑采用天然地基時(shí)，地基承載力可進(jìn)行修正.隨著基礎(chǔ)埋深的增加，修正后的地基承載力隨之增大

8、，從而可滿足高層建筑對地基承載力的要求。2）有利于高層建筑上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。高層建筑地下室外墻一般采用鋼筋鹼墻，地下室頂板厚不宜小于160mm，地下室具有較大的層間剛度，同時(shí)地下室外墻周邊土也提供了很大的側(cè)向剛度和約束。因此設(shè)地下室有利于上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，有利于協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體變形，調(diào)整地基不均與沉降。 </p><p>　　2.2 地下室頂板作為結(jié)構(gòu)底部嵌固層時(shí)設(shè)計(jì)問題 </p><p>

9、;　　當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛榻Y(jié)構(gòu)底部嵌固層的時(shí)候，應(yīng)該要能約束結(jié)構(gòu)底部的平動和轉(zhuǎn)動，故必須要滿足下列條件：1）地下室頂板與室外高差不宜過大，宜小于1/3層高。2）地下室的樓層剪切剛度不小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層剪切剛度的2倍。這里需指出的是，高規(guī)4.8.5條規(guī)定，抗震設(shè)計(jì)的高層建筑當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固層時(shí)，地下室柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計(jì)算要求外，不應(yīng)少于地上一層對應(yīng)柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1倍。規(guī)范規(guī)定此條的目的是保證柱端塑性鉸

10、出現(xiàn)在地下室頂部柱端。由于地下結(jié)構(gòu)的地震、作用效應(yīng)較小，即使在地下室柱與地上一層柱配筋相同時(shí)，柱端塑性鉸通常也出現(xiàn)在地下室頂部。按規(guī)范規(guī)定增大地下室柱配筋時(shí)，往往使得柱鋼筋較密，不便施工。 </p><p>　　2.3 框架柱截面大小選擇問題 </p><p>　　2.3.1對于框架柱而言，軸壓比越小在往復(fù)水平上荷載下的滯回曲線也會越豐滿，即耗能能力越大，延性就愈好。而對于柱凈高與截面高度

11、的比值小于4的短柱，在往復(fù)水平荷載作用下其滯回曲線呈較瘦的反S形，耗能能力降低、延性較差，呈剪切破壞。高層建筑的底部柱，由于對軸壓比值有要求，因此往往會將柱截面取得很大，但是由于受到層高的限制就使得框架柱成為了短柱。在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要確定截柱面的大小要注意以下幾點(diǎn)：1)框架柱的截面首先必須滿足規(guī)范軸壓比的需要，從而為結(jié)構(gòu)的豎向承載力和底板的抗沖切承載力提供保障。而對于形成的短柱，則可以通過增加體積配箍率或是沿著柱身增加箍筋達(dá)到提高延

12、性的效果。2)采用鋼管混凝土柱、勁鋼混凝土柱或是高強(qiáng)混凝土柱。3)柱的軸壓比必須滿足規(guī)范限制，軸壓比過大則結(jié)構(gòu)的延性無法得到保證，過小又會造成結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較差。 </p><p>　　2.3.2在同一樓層內(nèi)的各個(gè)柱的截面差異要盡可能小，保證每個(gè)柱的剛度相等。在實(shí)際的高層建筑中，有些是根據(jù)柱負(fù)荷面積來選擇柱截面大小的，中柱截面較大角柱截面較小，導(dǎo)致在同一樓層特別是建筑底部會長短柱都存在的現(xiàn)象。一旦遭遇地震，很

13、容易因構(gòu)建剛度和受力大小的不同而遭到破壞。因而在高層建筑中，應(yīng)該盡量的三排柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 </p><p>　　2.3.3在框筒體系或是框架體系中，角柱的受力應(yīng)該比別的柱差。這主要是因?yàn)椋?）在雙向剛接框架中，由于受到重力荷載作用，角柱已經(jīng)處在雙向受彎狀態(tài)。2)在高層建筑中，由于水平荷載會引起較大的傾覆力矩，當(dāng)框架整體彎曲時(shí)，角柱會承受較大的附加軸力。3)建筑結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心是不可能達(dá)到完全的重合的，在結(jié)構(gòu)的扭

14、轉(zhuǎn)振動過程中，角柱會產(chǎn)生相對較大的側(cè)移。因此，為了防止角柱遭遇扭轉(zhuǎn)變形或是彎壓變形嗎，柱截面不宜過小，同時(shí)還要加密箍筋，起到增加受壓區(qū)混凝土約束的作用。 </p><p>　　2.4剪力墻連梁設(shè)計(jì)問題 </p><p>　　2.4.1在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，與剪力墻相連并且允許開裂可作剛度折減的梁稱作連梁。在剪力墻結(jié)構(gòu)中，諸多的因素會制約連梁的設(shè)計(jì)，相連墻肢剛度和連梁跨高比等因素也會影響連梁

15、的內(nèi)力和結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度。聯(lián)系墻肢的連梁，不僅會影響剪力墻的受力，而且其本身的受力條件也比較復(fù)雜。一旦連梁遭到了破壞，會造成連肢墻的各墻肢之間失去約束，變成幾個(gè)單獨(dú)受力的墻體，會加大整片剪力墻的水平位移，降低剪力墻的承載力。相關(guān)的試驗(yàn)表明，連梁設(shè)計(jì)在連肢墻中是非常重要的，連梁的破壞最終會導(dǎo)致剪力墻承載能力的喪失。 </p><p>　　2.4.2按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，最好選用跨高比較大的連梁，按常規(guī)設(shè)計(jì)方

16、法配筋，進(jìn)行截面抗剪設(shè)計(jì)，減少其剪切破壞，保證連梁的延性。一般來說，連梁較大的剪切變形會導(dǎo)致斜裂縫，這些斜裂縫在反復(fù)荷載作用下會變成沿梁跨的對角線狀，使連梁的抗剪能力減弱。為了避免剪切破壞，連梁需具有足夠數(shù)量的抗剪箍筋和截面尺寸。 </p><p>　　2.4.3如果連梁跨高比較小而剛度較大，吸收的地震力比較多，就會造成連梁超筋，連梁的約束彎矩和剪力過大，導(dǎo)致連梁抗剪能力無法滿足規(guī)范對連梁剪壓比的限值，連梁遭遇脆

17、性破壞。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須堅(jiān)持的原則就是強(qiáng)墻弱連梁，對連梁的剛度要進(jìn)行折減，降低其抗彎能力。如果折減后，連梁的抗剪能力仍然無法滿足剪壓比限制時(shí)，可以采取調(diào)整剪力墻墻肢內(nèi)力、設(shè)置斜撐、雙連梁等措施解決問題 </p><p>　　2.5懸挑梁高度選用問題 </p><p>　　目前，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師會經(jīng)常忽略對梁撓度的計(jì)算。梁高選用比較小，造成梁截面的受壓區(qū)的應(yīng)力過高，在正常的使用狀態(tài)之下

18、，梁截面的受壓區(qū)產(chǎn)生非線性徐變。伴隨著時(shí)間的推移，梁撓度漸漸加大。挑梁的變形導(dǎo)致了梁板裂縫，由于挑梁變形的不斷擴(kuò)大，裂縫的寬度也隨之加寬，這樣就直接影響了建筑物的正常使用情況。即挑梁變形進(jìn)一步發(fā)展，梁支座截面上部受拉區(qū)經(jīng)常會出現(xiàn)跨比較大的豎向裂縫。受支座附近的剪彎作用影響，豎向的裂縫不斷向下延伸成為斜裂縫，這個(gè)時(shí)候梁已經(jīng)接近毀壞。裂縫在梁支的座位置斜向延伸，縫越靠上寬度越大。挑梁截面過于窄小對建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果影響很大。懸挑結(jié)構(gòu)對非水平

19、地震的作用極為敏感。當(dāng)梁高相對而言較小時(shí)，梁截面對應(yīng)的受壓區(qū)高度也是比較大的，但梁的延性是比較小的，在豎向地震作用力之下容易產(chǎn)生斷裂，從而失去了原有的承載力。 </p><p><b>　　3 結(jié)束語 </b></p><p>　　在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中,建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須要正確認(rèn)識自己工作的重要性,明確自己的責(zé)任,提高對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量安全問題的辨別能力,不斷積累高