程彩霞 楊夢(mèng)雪
【摘要】近年來(lái),隨著我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展,建筑工程逐漸朝著高層化不斷發(fā)展,甚至出現(xiàn)了一些超高層建筑,但是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨著較為嚴(yán)格的要求,一旦在某個(gè)方面存在問(wèn)題,不僅會(huì)造成較大的損失,也將帶來(lái)較大的安全隱患,不利于超高層建筑的長(zhǎng)久使用。設(shè)計(jì)人員需要對(duì)高層建筑施工的各方面考慮全面,比如說(shuō)材料選擇、抗震性能設(shè)計(jì)等方面,明確各方面的標(biāo)準(zhǔn)以及準(zhǔn)則,對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷的優(yōu)化,從而提升高層建筑的整體質(zhì)量。主要對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題及對(duì)策進(jìn)行探討,希望給相關(guān)人士帶來(lái)一定的幫助。
【關(guān)鍵詞】超高層建筑;結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);問(wèn)題;方法
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.13.060
引言:
在城市化的推動(dòng)作用下,人們對(duì)建筑質(zhì)量的要求越來(lái)越高。要想滿足人們對(duì)建筑日益增長(zhǎng)的需求,建筑行業(yè)需要積極采取措施解決當(dāng)前建筑施工中存在的問(wèn)題,從而提高施工效率和建筑完工質(zhì)量。對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作來(lái)說(shuō),需要設(shè)計(jì)人員對(duì)施工場(chǎng)地、環(huán)境等各方面因素進(jìn)行考察,對(duì)結(jié)構(gòu)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的計(jì)算,從而設(shè)計(jì)出合理的方案,這對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)也是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作。
1、高層建筑選型重點(diǎn)與適用范圍
相較于傳統(tǒng)的低層建筑形式而言,高層建筑所需要承載的荷載比較大,工程造價(jià)也比傳統(tǒng)建筑要大很多,因此在選擇高層建筑結(jié)構(gòu)體系時(shí)主要從經(jīng)濟(jì)性和安全性兩個(gè)角度進(jìn)行綜合考慮。從安全性而言,高層建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震效果,在設(shè)計(jì)時(shí)占有非常重要的地位,這關(guān)系到高層建筑的整體安全性,尤其是在地震比較多發(fā)、風(fēng)比較大的地區(qū),如果結(jié)構(gòu)選型不合適,建筑的安全性、舒適度都無(wú)法保證。除了安全性以外,工程造價(jià)也是結(jié)構(gòu)選型過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的因素,保證安全性的基礎(chǔ)上,也要考慮建筑的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。
常規(guī)高層建筑主要使用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核心筒結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)??蚣芙Y(jié)構(gòu)能提供較大的建筑空間,布置靈活,但抗側(cè)力能力差,適合的樓層一般在10層左右,應(yīng)用較為廣泛。剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度大,用鋼量小,但是布置不靈活,無(wú)法提供較大的建筑空間,適合用在住宅與旅館??蚣芗袅扔锌蚣芙Y(jié)構(gòu)的布置靈活,又有較大的剛度,適用于辦公樓與旅館??蚣芎诵耐步Y(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度更大,適用于抗震設(shè)防要求更高的建筑。
2、超高層建筑結(jié)構(gòu)體系類(lèi)型
隨著建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展,超高層建筑結(jié)構(gòu)的類(lèi)型不斷增多,其中比較常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型包括剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等,需要對(duì)其進(jìn)行充分了解,根據(jù)工程情況對(duì)其進(jìn)行合理選擇。
2.1剪力墻結(jié)構(gòu)
作為一種常用的建筑結(jié)構(gòu),剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)成需要使用鋼筋混凝土板,這一結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出較強(qiáng)的抗風(fēng)能力、抗震能力和抗側(cè)剛度,可以保證建筑整體的承載性能,解決建筑中存在的側(cè)移、變形等問(wèn)題,還可以改善建筑外表的美觀性(見(jiàn)圖1)。雖然在超高層建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越加廣泛,但是,該結(jié)構(gòu)的維護(hù)和拆除存在較大的難度,難以形成大的建筑利用空間。
2.2框架結(jié)構(gòu)
作為一種傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu),框架結(jié)構(gòu)的建造需要充分利用梁柱,既能夠承受水平方向的荷載,也能夠承受垂直方向的荷載,整個(gè)施工過(guò)程體現(xiàn)出建筑空間大、布置靈活、立面處理方便等優(yōu)勢(shì)(見(jiàn)圖2)。但是,結(jié)構(gòu)的側(cè)移問(wèn)題較常見(jiàn),其橫向剛度難以達(dá)到要求,使得建筑整體的質(zhì)量無(wú)法得到保障。
2.3框架-剪力墻結(jié)構(gòu)
與上述兩種建筑結(jié)構(gòu)相比,框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是一種復(fù)合型的結(jié)構(gòu),同時(shí)具備了剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),能夠滿足超高層建筑的需求,確保建筑整體的穩(wěn)定性、抗震能力及承載能力。但是,在應(yīng)用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的時(shí)候,必須做到合理設(shè)置剪力墻的數(shù)量,在保證工程質(zhì)量的基礎(chǔ)上,降低施工成本。隨著剪力墻的數(shù)量增多,工程施工的成本也將更多,反之,則會(huì)影響建筑整體的質(zhì)量,加大建筑變形的發(fā)生率。
3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題
3.1嵌固端的位置設(shè)置
當(dāng)前,高層建筑一般都自帶二層或者二層以上的人防或者地下室,嵌固端很可能被設(shè)置在地下室(人防)的頂板中,很多設(shè)計(jì)人員會(huì)忽視嵌固端的設(shè)置所帶來(lái)的一系列問(wèn)題,從而影響高層建筑整體的性能。另外,如果嵌固端的剛度設(shè)計(jì)不合理,也會(huì)對(duì)整體的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此,相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對(duì)嵌固端的位置進(jìn)行合理的布置,避免因?yàn)榍豆潭说牟贾脝?wèn)題使得整體建筑出現(xiàn)嚴(yán)重的威脅。
3.2扭轉(zhuǎn)問(wèn)題
扭轉(zhuǎn)問(wèn)題是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較常見(jiàn)的一種問(wèn)題,若無(wú)法及時(shí)處理這一問(wèn)題,那么整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)也將受到影響。為保證超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量,需要重視建筑的幾何中心、建筑的剛度中心以及建筑的結(jié)構(gòu)中心這三個(gè)部分的重合,否則,很容易出現(xiàn)壓力方面的問(wèn)題,最終造成扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。在超高層建筑發(fā)生扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的時(shí)候,構(gòu)件面臨著較大的安全風(fēng)險(xiǎn),容易發(fā)生脆性破壞的情況,這就需要采取合理的措施對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化,確保建筑結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭剛度。具體來(lái)講,可以對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行調(diào)整,保證結(jié)構(gòu)的平面達(dá)到比較規(guī)則的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)建筑的重心與剛度中心的有效重合,使結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距得到控制。將抗側(cè)力構(gòu)件布置在建筑四周,可以對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行改善。同時(shí),需要認(rèn)識(shí)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)無(wú)法依靠單純?cè)黾訕?gòu)件剛度和截面的方式進(jìn)行改善,在構(gòu)件受到地震作用就會(huì)進(jìn)入非彈性的狀態(tài),若是構(gòu)件受到的地震剪力過(guò)大,則構(gòu)件面臨著脆性破壞的風(fēng)險(xiǎn)。若是構(gòu)件處在扭轉(zhuǎn)位移較大的地方,可以采用混合結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行工程建設(shè),以此改善構(gòu)件的延性,使建筑的結(jié)構(gòu)安全得到保障。
3.3高層建筑地基選取不合理
目前,很多房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商在選擇高層建筑建設(shè)區(qū)域時(shí),只考慮到了建設(shè)區(qū)域的空間面積和地段的繁華程度,一般很少關(guān)注地質(zhì)條件,幾乎不考慮地形地貌。就建筑的整體安全性能來(lái)說(shuō),進(jìn)行高層建筑地基選取時(shí),地形地貌是非常關(guān)鍵的要素。需要選擇寬闊、平緩的地帶作為高層建筑地基,地基土壤的密實(shí)度要高,建設(shè)區(qū)域需要與河岸保持足夠遠(yuǎn)的距離;建筑物地基不能含有兩種及以上的土壤特質(zhì);凹陷地形、懸崖邊緣、土壤斷層區(qū)域都不是理想的地基基礎(chǔ)。如果開(kāi)發(fā)商沒(méi)有重視地形地貌問(wèn)題,將高層建筑地基選取在不合適的地形上,那么必然會(huì)導(dǎo)致抗震性能不符合要求,建筑物整體存在較大的安全隱患,稍有不慎就會(huì)發(fā)生安全事故。E8DB3CFA-BE41-4642-84A2-9456FA163575
3.4抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題
抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),因?yàn)槲覈?guó)的地震帶分布并不統(tǒng)一,使得一些地區(qū)沒(méi)有嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,從而影響了建筑整體的抗震性能。再加上當(dāng)前對(duì)抗震標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)范的推廣較為落后,使得一些地區(qū)并不明確實(shí)際的規(guī)范。地震是高層建筑需要面對(duì)的一個(gè)嚴(yán)肅的問(wèn)題,一旦抗震性能不達(dá)標(biāo),那么可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害,造成較大的人員財(cái)產(chǎn)損失。面對(duì)這個(gè)問(wèn)題,相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該提前了解現(xiàn)行的抗震標(biāo)準(zhǔn),在設(shè)計(jì)的過(guò)程中,應(yīng)該盡可能高于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),從而保證建筑物整體的抗震性能。
進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí),很多設(shè)計(jì)師都會(huì)使用新型的施工技術(shù)和新型材料,有效結(jié)合土木工程施工規(guī)范與施工力學(xué)指標(biāo),這樣就能提高建筑物的抗震性能,確保其滿足抗震指標(biāo)要求。但是由于部分技術(shù)還不成熟,并不能經(jīng)受住地震的威力,導(dǎo)致最終的建設(shè)效果無(wú)法符合設(shè)計(jì)要求,實(shí)際的抗震性能比較差。在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中,還需要提前做好模擬試驗(yàn),獲取各種模擬參數(shù)和數(shù)據(jù)以便為設(shè)計(jì)工作提供有效的數(shù)據(jù)支持,從而提高建筑設(shè)計(jì)方案的可行性和合理性。如果設(shè)計(jì)人員沒(méi)有根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),很可能設(shè)計(jì)方案中存在一些不足和缺陷,這樣在后期施工中就會(huì)出現(xiàn)施工質(zhì)量問(wèn)題,帶來(lái)明顯的房屋結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng),大大降低了高層建筑物的承載力,給高層建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響。
3.5受力性能問(wèn)題
在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,需要充分考慮建筑整體的受力性能,若是建筑結(jié)構(gòu)的受力性能無(wú)法達(dá)到要求,勢(shì)必會(huì)影響建筑使用的安全,也會(huì)帶來(lái)較大的建筑維修成本。在超高層建筑的受力性能不過(guò)關(guān)的情況下,環(huán)境因素對(duì)建筑安全的影響較大,經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的建筑破損問(wèn)題。因此,設(shè)計(jì)人員需要對(duì)建筑物的受力性能及其向下作用力進(jìn)行充分考慮,不斷優(yōu)化原本的設(shè)計(jì)方案,對(duì)超高層建筑存在的受力問(wèn)題進(jìn)行處理,使建筑質(zhì)量得到保障。同時(shí),需要準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)超高層建筑的承重墻及承重柱子,對(duì)平面設(shè)計(jì)圖的內(nèi)容進(jìn)行分析,確保建筑的承重分布合理,提高建筑自身的安全性。在分析超高層建筑結(jié)構(gòu)的時(shí)候,可以采用計(jì)算簡(jiǎn)圖完成這一工作,選擇空間分析法對(duì)建筑整體進(jìn)行分析,還可以選擇不同的力學(xué)模型通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行復(fù)核,使建筑物的受力性能問(wèn)題得到切實(shí)解決。
4、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)分析
4.1地基基礎(chǔ)施工設(shè)計(jì)
我國(guó)地域面積較大,地質(zhì)環(huán)境多樣,不同地區(qū)的地質(zhì)存在一定的差異。因此,在進(jìn)行不同地區(qū)的高層建筑地基建設(shè)時(shí),技術(shù)人員應(yīng)對(duì)建設(shè)場(chǎng)地及其周邊的地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)研,全面分析當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)合理的施工方案,而地基基礎(chǔ)施工技術(shù)在這方面具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在建筑結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中,施工團(tuán)隊(duì)如果需要在持力層較深、地質(zhì)復(fù)雜程度較高且建筑深度較淺的地方進(jìn)行施工,就應(yīng)采用地基基礎(chǔ)施工技術(shù)。但由于絕大多數(shù)的高層建筑施工需要使用鋼材料,而我國(guó)的鋼材料生產(chǎn)量又比較低,所以,現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁更加適合我國(guó)的高層建筑結(jié)構(gòu)施工。就現(xiàn)階段的高層建筑地基施工情況來(lái)看,在地基基礎(chǔ)施工技術(shù)支持下,利用混凝土樁材料進(jìn)行的施工,其建設(shè)質(zhì)量較高,并且在進(jìn)行混凝土樁灌注過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲較小,耗費(fèi)的成本也比較低。
4.2嵌固端的位置設(shè)置問(wèn)題的解決措施
對(duì)于嵌固端的位置設(shè)置,應(yīng)該經(jīng)過(guò)合理的計(jì)算。比如說(shuō),將地下室頂層作為嵌固端,那么應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇合適的抗震等級(jí)。對(duì)于地下室的現(xiàn)澆頂板的厚度,應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行合理的控制,避免具備較大的洞口。由于邊柱和角柱只有一面有梁,因此,可以增大梁截面或者增加梁配筋,從而提升其承載力,保證建筑物的安全性。在解決嵌固端問(wèn)題的過(guò)程中,應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行合理的把控,對(duì)嵌固端的布置進(jìn)行優(yōu)化,從而提升高層建筑的質(zhì)量。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案的過(guò)程中,應(yīng)該圍繞施工的具體時(shí)間展開(kāi),從而為后期的施工打下良好的基礎(chǔ)。另外,相關(guān)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該對(duì)建筑的具體情況以及現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境等進(jìn)行考察,保證設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性??傊?,嵌固端的布置問(wèn)題也是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié),相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該經(jīng)過(guò)再三的考量,明確嵌固端的布置位置,保證其承載力滿足實(shí)際的需求,從而保證建筑物的質(zhì)量與性能。
4.3根據(jù)實(shí)際情況確定合適的建筑結(jié)構(gòu)形式
隨著建筑行業(yè)的繁榮發(fā)展,也延伸了多樣化的建筑結(jié)構(gòu)形式,磚混結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等都是常見(jiàn)的建筑結(jié)構(gòu)形式,這些建筑結(jié)構(gòu)形式有著各自的優(yōu)勢(shì)和不足,抗震性能也有很大的不同。因此,在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí),需要根據(jù)實(shí)際情況,將建設(shè)區(qū)域地震的發(fā)生頻率和抗震等級(jí)考慮進(jìn)去,確定合適的建筑結(jié)構(gòu)形式,提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性能和抗震性能,確保人們的居住安全。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要建立科學(xué)合理的地震受力模型,合理分析、準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)受力情況,確保建筑結(jié)構(gòu)的所有承重構(gòu)件符合抗震設(shè)計(jì)要求,這樣才能提高抗震設(shè)計(jì)效果。
外界條件相同的情況下,如果高層建筑采用的是磚混結(jié)構(gòu)形式,那么它的抗震性能要比混凝土結(jié)構(gòu)形式差一些。具體原因?yàn)椋u混結(jié)構(gòu)的主體承重材料是磚砌體,這種材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和硬度不夠,容易破損,而且磚體結(jié)構(gòu)重量過(guò)大,在地震作用下,高層建筑的破壞程度大大增加。混凝土結(jié)構(gòu)的主體承重材料主要是混凝土,使用的是輕質(zhì)材料填充墻體,整體的重量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于磚體結(jié)構(gòu)的,這樣一旦發(fā)生地震,它的穩(wěn)定性、抗震性就要高于磚混結(jié)構(gòu)。目前,國(guó)外常用的建筑結(jié)構(gòu)形式是鋼結(jié)構(gòu),這主要是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)生產(chǎn)、施工便捷高效,而且鋼結(jié)構(gòu)的抗剪性能、抗壓性能優(yōu)異,同時(shí)具有較好的強(qiáng)度和延展性。
4.4合理規(guī)劃施工方案設(shè)計(jì)
對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)施工來(lái)說(shuō),良好的施工方案是確保施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵。由此可知,施工計(jì)劃方案的科學(xué)與否對(duì)施工技術(shù)能否順利實(shí)施有著一定的影響,合理規(guī)劃施工計(jì)劃方案是進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化的重要措施。在計(jì)劃方案設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員應(yīng)和技術(shù)人員與施工人員進(jìn)行溝通交流,并充分結(jié)合實(shí)際施工需求和施工技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行綜合考慮,從而設(shè)計(jì)出完善的施工計(jì)劃。當(dāng)然,在施工方案設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該注意合理使用相關(guān)施工技術(shù),確保施工技術(shù)能夠在工作中發(fā)揮作用。而施工人員則應(yīng)在施工正式開(kāi)始前對(duì)施工方案和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究,從而進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效果,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的建筑結(jié)構(gòu)施工建設(shè)。
結(jié)語(yǔ):
綜上所述,在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,存在著一些的問(wèn)題,這些問(wèn)題如果沒(méi)有得到妥善的解決,最終都會(huì)影響建筑的質(zhì)量以及安全性。設(shè)計(jì)人員需要提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重視度,在設(shè)計(jì)過(guò)程中科學(xué)合理選擇建筑物的地理位置,確定合適的建筑結(jié)構(gòu)形式,注重建筑結(jié)構(gòu)薄弱層的抗震性能設(shè)計(jì),做好建筑結(jié)構(gòu)的隔震、消能減震設(shè)計(jì),提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果,保障人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。
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作者簡(jiǎn)介:
程彩霞(1980.09-),女,湖北武穴人,研究生,研究方向:結(jié)構(gòu)工程。E8DB3CFA-BE41-4642-84A2-9456FA163575