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高层建筑结构设计的问题及对策

作者:临沂鹏程木业  来源:http://www.jianliqiang.net  发布时间:2020-08-15 14:21     浏览次数 :

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  作为一个庞大复杂的系统,高层建筑的结构设计,一方面要满足包括抗震,抗风等在内的安全性能的要求,另一方面,也要满足高层建筑结构的科学性和合理性。本文首先说明了高层建筑结构设计的特点和原则,然后分析了高层建筑结构设计的问题,最后提出了解决高层建筑结构设计问题的对策。
 

剪力墙结构


  关键词:高层建筑;结构设计;扭转;受力;超高

  一、高层建筑结构设计的特点

  (一)水平荷载成为决定因素

  水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖构件中引起的轴力,与楼房高度的两次方成正比,高层建筑楼面使用荷载和楼房自重在竖构件中所引起的弯矩和轴力的数值,仅与建筑高度的一次方成正比。对某一定高度楼房来说,它的竖向荷载大体上是定值,但是其水平荷载却不是定值,它随结构动力特性的不同而有较大幅度变化。

  (二)结构延性是重要设计指标

  与底层建筑相比,在地震作用下高层建筑的结构的变形会更大一些。为了避免高层建筑倒塌,使其具有较强的变形能力,特别需要在其构造设计上采取一定的措施,来保证结构具有足够的延性。

  (三)轴向变形不容忽视

  在高层建筑中,因为其竖向荷载很大,所以它能够在柱中引起较大的轴向变形,使得连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大;此外它还会对预测构件的下料长度、构件剪力和侧移等产生影响。

  (四)侧移成为控制指标

  与底层建筑不同,结构侧移是高层建筑结构设计中的关键因素。水平荷载下结构的侧移变形随着建筑高度的增加而增大,与建筑高度的四次方成正比。因此,在水平荷载作用下,应将结构的侧移控制在一定的限度范围内。

  二、高层建筑结构设计的原则

  (一)正确的结构计算简图

  在计算简图的基础上进行高层建筑结构的设计计算,如果计算简图的选择不合理,很容易造成结构的不稳定,诱发安全事故,因此,要保证结构设计的安全可靠就要对计算简图进行正确的选择,而且还要采用与之相应的构造方法,确保安全,实际应用中,高层建筑结构节点不仅仅是钢节点或饺节点,确保和计算简图的误差在标准规定的范围内。

  (二)合理的结构基础设计

  结构基础的设计要根据高层建筑的具体地质条件进行选择,对高层建筑的上部结构类型与荷载的分布情况以及施工条件进行综合全面的分析,确保设计的合理。此外,基础设计还要确保地基的潜在能力得到最人化的发挥,如果施工条件允许,要进行必要的地基变形检验,在进行设计之前一定要有较为科学详细的地质勘察报告,通常情况下,具有相同结构单元的可以采取相同的类型。

  (三)合理的建筑结构方案

  结构设计方案不仅仅需要满足经济性要求,而且还要满足结构形式和体系的要求。结构体系的要求就是要保证受力的明确以及传力的简单。在相同结构的单元中,要选择与之相应的结构体系,一旦高层建筑的地基处于不稳定状态,那么应力就需要平面和竖向的规则。在对建筑的地理状况、施工条件以及选材等方面综合分析的基础上,与结构中供电、供水等的设计相协调一致状况下,进行结构的合理选择,进而确定设计结构方案的科学性。

  三、高层建筑结构设计的问题

  (一)扭转问题

  在高层建筑的结构设计中,建筑的三心非常重要。建筑的三心主要是指建筑结构的中心、几何形心以及刚度中心,在进行结构的设计时要确保三心的汇聚,保证三心集中于一点,实现三心合一。高层建筑结构设计中扭转问题的出现会严重影响到三心顺利的集中在一起,高层建筑的扭转问题主要是受到水平压力作用造成的。

  (二)受力性能问题

  建筑设计者在对建筑结构的设计中要把建筑的空间组合特征作为重点内容来抓,进行建筑方案的确定时还要考虑到建筑的具体结构特点,根据不同结构的不同特点,制定出正确的与之相适应的设计方案保证建筑的重力方向始终与地面呈向下作用。

  (三)短肢剪力墙的设置问题

  根据近些年来国家对建筑行业出台的新的标准规范来看,对于短肢剪力墙的定义是墙肢截面的高度和厚度比为5~8。在建筑结构的设计过程中,必须要根据实际的经验数据与施工经验要求来进行,从目前的短肢剪力墙现状来看,主要是使用和增加存在很多的限制性因素。因为墙肢厚度较薄,一般是200mm左右范围,在梁和墙的连接处,有很多的暗柱、端柱的影响,造成相连接的梁不能达到规定的宽度,给梁的强度带来不利影响。

  在现代社会飞速发展的环境下,高层建筑中对于地下空间的应用越来越广泛,这对于短肢剪力墙结构来说,很多落地的墙肢直接影响了地下空间的正常有效使用,因此,需要有结构转换层的设立。

  (四)高度超标问题

  高层建筑的抗震、防火、防水结构具有规范化的体系要求。当前高层建筑结构设计规范中都对高度有严格的限制,但是,在实际的结构设计中往往会出现各种问题,施工的设计图也会因为结构类型的变化而不能及时审查通过,这就增加了建筑工程的总体造价成本,延误了工期,从而不利于整体规划。

  四、高层建筑结构设计的对策

  (一)扭转问题优化设计

  为了防止建筑物由于水平荷载的作用而出现扭转破坏,必须在进行结构设计的过程中,选择合理的结构形式和平面布局,尽可能地使建筑物做到三心合一。在某些情况下,由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制,高层建筑不可能全部采用简单平面形式。当需要采用不规则l形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时,应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内。在结构平面布置时,应尽可能使结构处于对称状态。

  (二)受力性能方面

  进行高层建筑的结构设计,首要的工作就是要保证设计师对建筑环境的地基荷载量有明确的把握,同时处理好其与向下作用力之间的关系。基于此,在对高层建筑的结构设计方案的初始选择阶段,一定要考虑到所涉及到的各种方面的影响,对总体结构中承重墙、承重柱的数量和具体位置设置都有合理的设计。

  (三)高层建筑结构设计短肢剪力墙设置

  我国建筑新规范中,短肢剪力墙是指墙肢的截面的高度和厚度比在 5~8 的墙,按照实际经验以及数据,高层建筑结构设计中增加了对短肢剪力墙的使用限制。所以,在高层建筑的结构设计中,必须尽可能的减少或者避免使用短肢剪力墙。

  (四)高层建筑结构存在着超高的问题

  基于高层建筑抗震的要求,我国的建筑规范对高层建筑的结构的高度有严格的规定,针对高层建筑的超高问题,在新规范中不但把原来限制的高度规定为 A级高度,并且增加了 B 级高度,使得高层建筑结构处理设计方法和措施都有了改进。实际工程设计中,对于建筑结构类型的改变对高层超高问题的忽略,在施工审图时将不予通过,应该重新进行设计或者进行专家会议的论证等。在这种情况下,整个建筑工程的造价和工期都会受到极大的影响。

  (五)优化抗风结构设计

  在高层建筑的设计中,其建筑的抗风性应注意以下几点:

  具有良好的结构稳定性

  这就需要在建设的过程中保证选择级配比较高的砂石,并对材料回填过程的密实程度进行保证,从而保证建筑在水平作用力施压下不会出现倾覆性趋向。另外则应当在持力层底部设置相应的抗拔锚杆,从而能够通过相关的钻孔、安装以及注浆一系列工作使锚杆的功能得到增强,并使其抗拔强度得到保障。

  在对建筑非承重构件设计的过程中,还应当通过对耗能减震系统良好的利用使风力对于建筑的影响得到降低。在这个系统中,主要以楼板、剪力墙以及耗能支撑等部件所组成,并保证能将这种减震系统设置在合理的位置中,从而使耗能减震的作用得到加强。

  由于高层建筑往往面临较大的风压,在这种强大风压的作用之下也会对建筑结构构件的内力得到提高,而一旦这种压力超出了其所能承受的最大值,就会使风荷载同水平力之间出现重叠问题,从而对建筑整体造成结构性破坏。所以就应当对风压较高的位置进行加固,首先应当对建筑实际风压作用力的大小进行分析同时对建筑土压力进行控制,并在此基础上对建筑的水平荷载内力进行加强。

  结语

  综上,高层建筑结构设计可以说是一个与实际紧密结合的过程,决不能脱离实际而进行,在设计过程中,要综合考虑建筑工程所在地的地理环境、水文土质、抗震等级等,在参考规范的基础之上,通过借鉴其他成功案例的经验,合理安排建筑体从地下到地上,从主体到部分的结构,使高层建筑结构设计既符合外观的视觉享受,又达到主体的结构稳定性。

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