對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計的研究

1、<p>　　對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計的研究</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、復雜化和獨特個性等特點給城市建設帶來嶄新面貌的同時也給高層建筑結(jié)構(gòu)設計者帶了嚴峻的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合筆者多年實踐經(jīng)驗，談談如何優(yōu)化高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計，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帶來了新的面貌，日益復雜的使用功能和多樣化的建筑特征給高層建筑結(jié)構(gòu)的設計者帶來了非常嚴峻的挑戰(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，是目前我國應用最廣泛的也是大多數(shù)設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)有著更廣泛的應用范圍，不但應用在高層建筑中，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)分標準的，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

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)體系以及服務與管理等要素被聯(lián)系在一起，設計得以更加優(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)設計考慮因素 </p><p>　　在高層建筑中，當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，在設計時，混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計就顯得異常重要，。高層建筑結(jié)構(gòu)設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、設計合理的標準。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)向力應該成為高層建筑結(jié)構(gòu)設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。在高層建筑建設過程中，建筑高度是一系列風險因素的出現(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)化設計的具體方法 </p><p>　　高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計作為高層建筑結(jié)構(gòu)設計的主要部分，它必須能夠與高層建筑的結(jié)構(gòu)設計相適應。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)外學者追求的主要目標。目前為止，對于各個構(gòu)件的優(yōu)化，盡管各

13、國學者已經(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)設計的成熟數(shù)學模型，同時這一模型能夠滿足各種結(jié)構(gòu)設計規(guī)范條件，符合設計人員習慣，又盡可能接近最優(yōu)解。因此，在實踐的指導下，對各個構(gòu)件內(nèi)力的最大承載力的追求就成為設計人員的目標。從本質(zhì)上說，優(yōu)化設計的關(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)性狀應該最大限度的做到簡單而且規(guī)則，長度不應過長，凸出部分不應過

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該分布均勻，豎向布置嚴重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)應該禁止采用，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，正如以上所述的標準一樣，但卻缺乏美觀和實用性。這時，就需要結(jié)構(gòu)設計人員要特別重視結(jié)構(gòu)概念設計，并且將概念設計貫穿于建設過程的始終。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。具體應如何注重剪力墻的平面布置，我們應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) 剪力墻墻肢截面應具有簡單、規(guī)則的特點，剪力墻結(jié)構(gòu)應具有一定側(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)設計時，應充分考慮各方面因素，考慮高層建筑風和地震力等側(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，也應該

19、能夠從整體上把握結(jié)構(gòu)整體的設計，了解總體系和主要體系間所存在的最佳受力標準，從而找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案，滿足各方設計使用要求。 </p><p><b>　　參考文獻: </b></p><p>　　［1］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計［J］。地震工程與工程振動，2010． </p><p>　?。?］李源新