■徐志斌,李佳佳,段亞弟 ■漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 漯河 462000
隨著城市的不斷發(fā)展與工程技術(shù)的不斷突破,高層建筑與超高層建筑不斷建立,這也是依賴于計(jì)算技術(shù)、力學(xué)分析方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展與進(jìn)步。對(duì)于超高層建筑而言,其結(jié)構(gòu)體系需要能夠具有較強(qiáng)的抗外部力能力,因此在選擇采用哪一種結(jié)構(gòu)體系時(shí),必然會(huì)將此作為重點(diǎn)來(lái)考量。在這里,我們將對(duì)筒中筒結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行探討。
受到地震、風(fēng)荷載等水平力結(jié)構(gòu)安全控制能力要求的影響,對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō),它需要的是能夠具有極強(qiáng)的承載能力、優(yōu)良的抗震性能、現(xiàn)實(shí)施工便宜等優(yōu)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體系。超高層建筑發(fā)展到現(xiàn)在,其所主要采用的結(jié)構(gòu)體系為框架與簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu),筒中筒結(jié)構(gòu),矩形框架結(jié)構(gòu)和束簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)體系。其中,以目前的情況來(lái)說(shuō),筒中筒結(jié)構(gòu)因其自身的優(yōu)勢(shì)而被采用得最多。
筒中筒結(jié)構(gòu)體系有內(nèi)筒和外筒兩層筒體,其中外筒有鋼框筒、析架筒和網(wǎng)格筒三種,而外筒有析架筒和鋼筋混凝土墻筒兩種。假如是建筑比較高的情況,可以通過(guò)在內(nèi)外筒中間設(shè)置伸臂析架來(lái)達(dá)到減少建筑側(cè)移的目的。如果是在水平荷載作用下,通常內(nèi)筒是以彎曲為主,而外筒以剪切形為主,內(nèi)筒與外筒之間則是以樓板和外伸臂析架互相協(xié)助。假如外筒的剛度達(dá)到了一定的值,內(nèi)筒的大小和剛度可以相應(yīng)降低要求。其實(shí),筒中筒結(jié)構(gòu)體系對(duì)于外伸臂析架的要求并不高,很多時(shí)候不設(shè)置外伸臂析架影響也不大。
實(shí)腹筒、桁架筒和及框筒是筒中筒簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)的三種基本形式,通常是由這三種簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)中一種或者是多種來(lái)形成的筒中筒結(jié)構(gòu)體系的抵抗力強(qiáng)弱程度。筒中筒結(jié)構(gòu)具有抵抗較大水平作用力的有效、優(yōu)質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體系。超高層建筑對(duì)建筑結(jié)構(gòu)本身便有與普通建筑不同的特別要求,而筒中筒結(jié)構(gòu)體系恰好能夠滿足得了超高層建筑的需要。
由內(nèi)、外筒組合而成的筒中筒結(jié)構(gòu),其內(nèi)筒通常是剪力墻薄墻體壁筒,而外筒主要是密柱一起組合而成主要的框筒。這樣的結(jié)構(gòu)形式意味著外柱的密度比較大,整體性能優(yōu)良,相當(dāng)于是豎向多孔的箱型梁壁,無(wú)論是抗風(fēng)還是抗震性能都是比較好的。因此,我國(guó)不少超高層建筑物都是采用的筒中筒結(jié)構(gòu)體系。只是,也正是因?yàn)橥仓型步Y(jié)構(gòu)的內(nèi)筒、外筒組合而成的結(jié)構(gòu)形式,在內(nèi)筒外筒之間存在著一定的空間,這個(gè)空間導(dǎo)致通風(fēng)效果比較顯著,以致于防火能力相對(duì)比較弱。一旦遇到了比較大的火情,風(fēng)力一起作用,想要將火勢(shì)控制住就比較艱難??梢哉f(shuō),筒中筒結(jié)構(gòu)最明顯的缺點(diǎn)就是防火能力比較弱。
(1)密柱深梁會(huì)導(dǎo)致窗裙梁跨度高度減小,框筒想要減少緣框架中的彎曲程度和剪切面變形程度就需要做成密柱深梁,從而也減少柱中剪力滯后嚴(yán)重的情況。
(2)通常情況下,框筒平面以接近正方形或者圓形最為合適。以矩形平面結(jié)構(gòu)來(lái)舉例,對(duì)于矩形平面來(lái)說(shuō),長(zhǎng)短邊如果相差兩倍以上,就會(huì)造成長(zhǎng)邊剪力滯后問(wèn)題嚴(yán)重,而利用率大大降低。
(3)如果說(shuō)超高層建筑的結(jié)構(gòu)是高度比長(zhǎng)度差很多的情況,那么在設(shè)計(jì)的時(shí)候采用筒中筒結(jié)構(gòu)體系就不是很合適了。這主要是由于這種情況下的超高層建筑結(jié)構(gòu)的總高度與總寬度之間相差了3倍以上。
(4)如果超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系中內(nèi)筒面積不能夠太小,通常以外筒邊長(zhǎng)是內(nèi)筒邊長(zhǎng)的2倍到3倍比較合適。此外,內(nèi)筒與外筒之間不需要再設(shè)柱,對(duì)于內(nèi)筒來(lái)說(shuō),高是寬的12倍到15倍是比較合適的,倍數(shù)過(guò)大也不好。
(5)對(duì)于采用了筒中筒結(jié)構(gòu)體系的超高層建筑而言,它的豎向?qū)嶋H荷載是由整個(gè)樓蓋承受的,同時(shí)整個(gè)樓蓋還因?yàn)樗胶奢d而產(chǎn)生了剛性隔板的效果,而內(nèi)外筒與樓蓋也形成了互相協(xié)助工作的情況。同時(shí),整體樓蓋還能夠維持好整個(gè)建筑筒體的平面二維形狀,能夠保證得了在豎向筒體不變形的情況下進(jìn)行施工。對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō),樓蓋是十分重要的一個(gè)部分,因此樓蓋在設(shè)計(jì)建造的時(shí)候并不適合過(guò)高,盡量把樓蓋與柱子之間的彎曲度傳遞縮小,內(nèi)外筒間距以10米至12米最為合適。
為使超高層建筑在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)能夠?qū)ν仓型步Y(jié)構(gòu)體系更容易做出量化處理,在這里拿500米與600米建筑作為例子來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化的模型計(jì)算。在模型計(jì)算之前,首先設(shè)定建筑所采用的結(jié)構(gòu)外筒是框架性支撐筒,與此同時(shí),用方形鋼管和大型支撐柱配合混凝土梁。相對(duì)的,內(nèi)筒選擇的是混凝土剪力墻以及剪力交接鋼柱作為主體。因?yàn)閮?nèi)筒與外筒的設(shè)定讓建筑側(cè)剛度荷載的剪力已經(jīng)得到了減少,因而在建筑外框筒用伸臂析架作為輔助,同時(shí)設(shè)計(jì)環(huán)形析架是行得通的。以上的設(shè)定,對(duì)于樓板系統(tǒng)的加強(qiáng)性來(lái)說(shuō)是契合的。
(1)風(fēng)荷載。在這里,將100a一遇重現(xiàn)期作為基礎(chǔ),設(shè)定基本的風(fēng)壓是0.6KN/m2,周?chē)h(huán)境地面粗糙度屬于C類(lèi),其余的風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)以及體型系數(shù)都以相關(guān)規(guī)范作為參考標(biāo)準(zhǔn)。這之外,建筑的抗震設(shè)防烈度設(shè)定為7度,設(shè)定抗震設(shè)防是乙類(lèi),多遇水平地震影響系數(shù)最大值為0.08。設(shè)定設(shè)計(jì)地震分組是第一組,周?chē)鷪?chǎng)地類(lèi)別是第IV類(lèi),塔樓結(jié)構(gòu)阻尼比抗震取0.04、抗風(fēng)取0.02,特征周期為0.9S,周期折減系數(shù)則為0.95。
(2)500米與600米建筑的模型計(jì)算。設(shè)定500米建筑的層數(shù)為118層,其中每一層的高度約為4.2米,則建筑物的總結(jié)構(gòu)高度是495.6米。建筑的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層為50mX50m。內(nèi)筒的設(shè)計(jì)尺寸為27mX27m,外筒高寬比為10∶2;內(nèi)筒高寬比20∶30。在塔樓外框筒的第24 至26,49至50,74 至75,99至100,120至121 層均設(shè)置五道伸臂析架和環(huán)形析架作為輔助,外筒標(biāo)準(zhǔn)層立面開(kāi)洞概率大約是0.48。
500/118≌4.2米
4.2*118=495.6 米
表1 500m超高層建筑構(gòu)件信息
設(shè)定600米高層建筑層數(shù)為145層,其中每層的高度約為4.1m,則建筑物的總結(jié)構(gòu)高度是594.5m。底層的平面尺寸是65mX65m,本建筑通過(guò)逐層縮進(jìn)的方式,到第25層時(shí)平面尺寸變成50mX50m;相對(duì)的內(nèi)筒平面尺寸為25mX25m,內(nèi)筒高寬比為22∶4。在第12至13,25至26,45至46,65至66,85 至86,105至106,125 至126,145 至146 層,再設(shè)置七道伸臂析架和環(huán)形析架,25層平面以上的開(kāi)洞概率大約為0.37。600/145≌4.1米 4.1*145=594.5米
表2 600m超高層構(gòu)件信息
(3)計(jì)算結(jié)果。通過(guò)500米與600米建筑的模型計(jì)算結(jié)果分析,我們可以得知,在進(jìn)行高層建筑的筒中筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),主要需要考慮的是剪重比、周期比、層問(wèn)位移角、等一系列的參數(shù)比。為此可以通過(guò)對(duì)建筑的平面尺寸以及承重構(gòu)件的布置來(lái)使上述參數(shù)比能夠達(dá)到建筑的要求。同時(shí),我們也可以通過(guò)模型計(jì)算結(jié)果知道,筒中筒結(jié)構(gòu)體系對(duì)于超高層建筑物結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)要求是完全可以滿足的。
城市不斷在發(fā)展,超高層建筑物也因?yàn)樾枨蠖粩嘟?,而?duì)于技術(shù)層面的要求也跟著越來(lái)越高。因?yàn)榫哂辛己玫目癸L(fēng)與抗震性能,筒中筒結(jié)構(gòu)體系在超高層建筑物中得到了廣泛的使用,而采用筒中筒結(jié)構(gòu)體系還能夠縮短施工周期和提高建筑物的質(zhì)量。在未來(lái),城市的現(xiàn)代化與數(shù)字化將會(huì)發(fā)展得越來(lái)越深、越來(lái)越廣,筒中筒結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)成為超高層建筑結(jié)構(gòu)體系的主流選擇。
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