高层建筑工程结构设计探讨
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摘要: 随着社会建设突飞猛进的发展,大量的高层建筑进入到人们的视野,并使用上进一步呈现出多样性来。因此,高层建筑工程的结构设计也应当符合实际的要求,本文,针对高层建筑结构设计中的重点问题进行了探讨。
关键字: 高层建筑 结构 设计 问题
随着社会建设突飞猛进的发展,大量的高层建筑进入到人们的视野,高层建筑是当代科学技术和社会文化经济的一种体现。是人类社会趋于城市化,高技术化,现代化发展进程中的产物,是时代的里程碑,也是城市的设计师,建筑师,是工程师们面对的宏伟课题和历史的重任。近年来,由于轻质高强材料的开发,抗风和抗震理论的不断完善,加之新的施工技术和设备的不断涌现,特别是计算机的普及和应用以及结构分析手段的不断提高,为迅速发展高层建筑提供了必要的技术条件。本文对高层建筑结构设计中值得重视的几个问题进行了探讨。
1. 宏观上控制结构的强度和延性
结构在受力进塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力,为避免倒塌,尤其是结构抗震设计中,一方面要保证结构具有足够的强度。另一方面,要保证结构具有一定的延性,强度要从电算的位移刚度等进行控制,而延性则主要从以下几个方面控制,以防结构的脆性破坏。
1. 1构件截面抗震承载力调整
水平地震作用与重力荷载效应组合对应的结构构件截面抗震承载力须根据受力状态进行调整放大提高,以达到结构的柔性破坏。
1. 2竖向构件轴压比控制
高层建筑竖向构件在重力荷载、水平荷载共同作用下的轴压比控制是保证高层建筑结构延性和安全度的重要措施之一,其表达式如下:
轴压比=总组合轴压力设计值/(混凝土抗压设计值X构件截面积)。
轴压比的高低直接体现构件延性的优劣,轴压比较低的构件延性较好,反之延性较差。因此。地震作用效应组合下的竖向构件轴压比必须满足规范限值。
1. 3结构构件剪压比控制
其表达式为:板剪压比=组合设计剪力/(混凝土抗压设计强度X构件腹净面积)。
高层建筑各类结构构件在重力荷载、水平荷载共同作用下的剪压比控制是保证高层建筑结构延性、安全度的又一重要措施。
1. 4结构构件合适含钢率选择
高层建筑结构构件截面尺寸及其混凝土强度等级合适确定后,构件配置的各种受力钢筋和非受力构造钢筋具有合适的含钢率,是控制高层建筑结构强度、刚度及裂缝,使之能正常工作的另一个极其重要的设计原则和手段,合适含钢率的配置是现浇钢筋混凝土高层建筑结构本身应有的特性的体现。高层结构设计如果出现某类构件或某些构件的含钢率超出合适范围(高或低),要么是结构体系选择不恰当,或是结构布置不合理,或是刚度不适宜,须对结构进行重新调整设计。
2. 高层建筑结构设计中的扭转问题
建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心,在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点,即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一,在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏,应在结构设计时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。
在水平荷载作用下,高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀,减轻结构的扭转振动,应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简面形式。
2.1共振问题
当建筑场地发生地震时,如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近,建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期,通过调整结构的层数,选择合适的结构类别和结构体系,扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别,避免共振的发生。
2.2水平位移特征
水平位移满足高层规程的要求,并不能说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素。因为结构抗震设计时,地震力的大小与结构刚度直接相关,当结构刚度小,结构并不合理时,由于地震力小则结构位移也小,位移在规范允许范围内,此时并不能认为该结构合理。因为结构周期长、地震力小并不安全;其次,位移曲线应连续变化,除沿竖向发生刚度突变外,不应有明显的拐点或折点。一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型;框架结构的位移曲线应为剪切型;框-剪结构和框-筒结构的位移曲线应为弯剪型。
3 . 关于抗震构造措施
新的《高规》较“89规范”增加了有关短肢剪力墙的规定,但有些条文在设计应用时,尚不尽完善,且规程对短肢剪力墙的纵向钢筋配筋率要求偏高。短肢剪力墙原来系用于高层点式筒体的结构,近年来大量应用于10~16层的小高层商住楼,对这种高度一般不超过50m的建筑,是否应当采取如此严格的构造措施,是值得商榷的。
关于短肢剪力墙抗震等级的规定不尽合理,《高规》第7•1•2条第3款规定“短肢剪力墙的抗震等级应比本规程表4•8•2规定的抗震等级提高一级采用”,在短肢剪力墙结构中,既然规定了一般墙或筒体承受的倾覆力矩大于50%,则筒体或一般墙为主要抗侧力构件,应提高筒体或一般墙的抗震等级才合理,就如框-剪结构中的剪力墙抗震等级高于或等于框架抗震等级。在约束边缘构件设置上,对于设防烈度Ⅶ度、高度小于80m的短肢剪力墙结构,根据《高规》要求,主要承担地震倾覆力矩的长墙的抗震等级为Ⅲ级,无须设置约束边缘构件,反而承担倾覆力矩较少的短墙却需要设置约束边缘构件,这是不合理的,因为长墙承担的倾覆力矩更大,边缘构件由倾覆力矩所引起的附加应力也更大,更应设置约束边缘构件。
参考文献:
[1]卢晓轩.论高层建筑工程结构设计探讨.广东科技.2008年第179期
[2]崔云英.建筑结构理念创新.科教文汇.2009年第10期