鋼筋混凝土結構在高層建筑設計中的重點分析

  • 來源:建筑網   2019-12-30 16:00
摘要:

當上部結構的嵌固點位于地下室頂板時,地下一層主樓相關范圍內的抗震等級與上部主樓的抗震等級應取同,地下一層以下主樓相關范圍內的抗震等級可根據實際情況逐層降低一級,但不應小于四級。

近年來,伴隨我國城市經濟的迅猛發展,高層建筑的建設數量也迅速增多。如今在結構工程師的設計工作中,高層建筑結構設計的占比也越來越多。文章結合筆者多年的工作經驗,主要針對鋼筋混凝土結構在高層建筑設計中的重點進行了分析和研究,以供建筑結構設計人員參考。

  1 引言

  對于目前來說,高層建筑鋼筋混凝土結構主要采用框架、剪力墻、框架―剪力墻、筒體和板柱―剪力墻結構體系。下面根據筆者的多年工作經驗以及對實際工程的總結,淺顯地對鋼筋混凝土結構在高層建筑設計中的重點進行了論述,僅供大家參考。

  2 鋼筋混凝土結構在高層建筑設計中的原則

  現在高層建筑的數量越來越多,相應的鋼筋混凝土結構在高層建筑中也得到了廣泛的應用。我們必須遵循一定的原則,在保證高層建筑鋼筋混凝土結構的設計達到相關國家規范、規程規定的條文的同時,注意人們在設計、施工及使用維護階段對高層建筑的安全性、耐久性及適用性的需求。高層建筑結構在規范規定的合理的使用年限內,不僅需要滿足相應的建筑功能使用需求,而且應該可以承擔各種有可能發生的自然或認為的緊急情況,這就使得建筑結構必須具有與之相符的適用性和耐久性;同時在建筑物發生可能的緊急情況之后,建筑結構也必須保證其安全性。

  3鋼筋混凝土結構在高層建筑設計中的重點分析

  3.1 建筑結構的概念設計

  現在很多新入職甚至入職多年的結構工程師在建筑結構設計時陷入只依靠結構設計軟件的誤區,這是不正確的。為了保證建筑結構具有良好的抗震性能,我們應該從根本上重視建筑結構概念設計這種有效的方法。建筑師及結構師在建筑設計的過程中對相關規范和規程中的各項條文給予高度重視是建筑概念設計對我們的要求。尤其下列若干問題值得我們注意:

  (1)在建筑結構設計中,應該優先采用具有良好抗風、抗震性能,而且造價合理經濟的高層建筑結構體系。這就要求我們對建筑結構的合理性和建筑結構平、立面布置的規則性特別關注。高層建筑結構在豎向布置上應該有合理的剛度分布,與此同時在水平布置上也應有合理的承載力分布,這樣不但能避免因局部位置突變而形成薄弱部位,而且使建筑具有較好的抗震、抗裂縫和抗變形的能力。

  (2)由于水平地震作用是雙向的,所以要求建筑結構在兩個主軸方向上應具有相接近的動力特性,并且在建筑平面上結構沿兩個主軸方向需要擁有必需的抗震性能和結構剛度。在高層建筑設計時,我們應該使建筑具有清晰明確的計算簡圖和合理有效的傳遞地震力的途徑,這樣就能使建筑結構在任意方向上都能夠有效的抵抗地震作用。值得注意的是高層建筑結構除了水平剛度的需求外,還需要在抗扭轉震動和抗扭剛度上達到相應的要求。另外,雖然我們可以考慮場地特征的影響來對高層建筑結構的剛度進行選擇,以此來達到減小地震作用的目的,但是同時我們也應該看到這會使高層建筑結構的變形增大,高層建筑結構會因為P-Δ效應的過大而發生不必要的破壞。

  3.2 建筑結構的選型

  (1)結構工程師在高層建筑設計過程中應盡量避免采用短肢剪力墻。什么是短肢剪力墻,《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)中給予了明確的定義,短肢剪力墻是指墻肢截面高厚比在5~8的剪力墻。短肢剪力墻在高層建筑中有許多的限制和不便,這是在實際經驗以及實驗數據中得到證實的。因此為了在后期設計工作中避免增加不必要的麻煩,我們應該盡量減少或避免短肢剪力墻。

  (2)鋼筋混凝土結構在高層建筑設計中另一個重點是建筑結構的選擇。在上部結構的變形限值能夠滿足的前提下,在一些地基基礎相當穩定的地區可以盡量減小結構的剛度。對于規范中層間位移和頂點位移數值不是很合理的情況,我們采取相應的措施可以適當突破這些限值。同時規范規定在高層轉換結構中,上下層轉角的控制比值在1左右較為合理,轉換層的上下剛度比公式宜做相應修改。另外水平加強層的設置會提高結構的側向剛度,同時也會較大的增加外柱的剪力,這一點在設計工作中應慎重對待。

  3.3 結構的計算

  (1)《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010/J186-2010)第3.9節條文對于確定普通高層建筑的抗震等級給予了明確規定,即與主樓連為整體的裙樓的抗震等級除應按裙房本身確定外,相關范圍內也不應低于主樓的抗震等級。當上部結構的嵌固點位于地下室頂板時,地下一層主樓相關范圍內的抗震等級與上部主樓的抗震等級應取同,地下一層以下主樓相關范圍內的抗震等級可根據實際情況逐層降低一級,但不應小于四級。另外比較復雜的高層建筑還應符合高規第10章的相關規定。

  (2)《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010/J186-2010)中對建筑結構振型的取值給予了明確的規定,結構的振型數與層數有很大關系。在計算分析階段我們需要根據規范規程的相關規定對計算結果進行分析,以此來確定是否需要調整振型個數。   (3)在高層建筑中,由于建筑外立面或者建筑功能的要求,建筑頂部常常存在一些非主體承重體系內的結構構件,對于這部分結構構件的設計和計算,我們按新規范中的有關規定應該對這部分結構構件增加有效的處理方法。因為高層建筑頂部的風荷載和地震作用較大,對于在其頂部的裝飾或立面造型構件的設計要特別注意。

  3.4 建筑基礎的設計

  高層建筑的承載力對于不同的地基基礎需要做不同的考慮,在高層建筑的基礎設計中應盡量減少地震作用對建筑結構的影響,為此我們需要注意以下幾點:

  (1)當擬建建筑物所處地段地基情況良好時,且基礎的埋深較大時,在方案階段設計師應建議業主在主樓下做地下室。因為地下室可以有效地降低基礎的附加應力,并且在提高地基的承載力的同時也可減小地震作用對上部主體結構的影響,這點對于周圍已有建筑物時尤其明顯。不應設局部地下室,且地下室應有相同的埋深。當地基承載力已達到設計要求時,為了利于地下室防水,基礎底板可以不繼續外沿,同時每隔 30~40米應該設置一道后澆帶,并使用微膨脹混凝土在兩個月后進行澆注。

  (2)當擬建建筑物周圍已有建筑物時,新建建筑基礎不宜深于周圍已有建筑基礎,這會是基礎發生不必要的破壞。如若新建建筑基礎深于已有建筑基礎,兩者基礎間的凈距與基礎高差的比值不應小于二,否則應該采用打抗滑樁等措施防止新建建筑基礎對已有建筑基礎的破壞。當相鄰建筑物的層數相差較大時,由于基地應力相差較大,我們應該在層數較低的建筑基礎的中心區域內采用墊焦碴等地基處理方案來調整其基底應力。

  (3)當地基較軟或不均勻時,柱下擴展基礎的寬度會很寬,有時會超過四米,此時我們可擇優選用柱下條形基礎,同時由于在結構節點處基礎的底面積在兩個方向上都做了重復利用,所以我們應該適當加寬柱下條形基礎。另外當獨立基礎的偏心過大時,我們可把相鄰建筑的基礎一起做成柱下條形基礎。值得注意的是,柱下條形基礎的偏心也不宜過大,條件允許時可以做成一面自由、三面支承的基礎底板。另外基礎底版的形心和上部柱的荷載重心宜盡量重合,基礎底板在條件允許時可做成臺階形、梯形。

  4 結語

在高層建筑中鋼筋混凝土結構應用日益增多的今天,其建筑結構設計的安全性、耐久性和適用性引起了人們的廣泛關注。因此,為了滿足人們對建筑的安全信任以及舒適度的需求,我們結構工程師應該在設計過程中不斷優化結構方案,使建筑材料的力學特性得到有效充分的發揮,從而設計出結構優秀穩定的建筑,以此滿足人們日益豐富的生活需求。文中提到的諸多細節和重點正是我們需要特別注意的。

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