廣東省高州市建筑設(shè)計院 525200
摘要:本文通過對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些問題進行探討,結(jié)合實踐經(jīng)驗提出具體建議。
關(guān)鍵詞:高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;計算方法;計算結(jié)果
隨著人們對建筑功能要求的多樣化,建筑類型和功能愈來愈復雜,結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化,出現(xiàn)了各種形式的多塔、錯層、帶轉(zhuǎn)換層、樓板局部開大洞的結(jié)構(gòu)類型,其中立面布置也越來越復雜。下面就本人在這幾年的設(shè)計實踐中的一些體會進行總結(jié)。
1高層建筑的結(jié)構(gòu)初步設(shè)計
結(jié)構(gòu)初步設(shè)計是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計最關(guān)鍵的一個步驟,因為在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計中,要進行方案的比較,最終確定高層建筑的結(jié)構(gòu)方案,而結(jié)構(gòu)方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計乃至整個高層建筑的設(shè)計中起決定性的作用。在高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計過程中,需要進行各種適宜方案的比較分析,結(jié)構(gòu)工程師需要具備豐富的設(shè)計經(jīng)驗知識。我們研究開發(fā)高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計的專家系統(tǒng)的根本目的就是:建立一個知識系統(tǒng),為高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計提供切實可行的方案,來進行智能化的計算機輔助設(shè)計,以提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。
2結(jié)構(gòu)初步設(shè)計的特點
結(jié)構(gòu)初步設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計中最關(guān)鍵的一環(huán),結(jié)構(gòu)初步設(shè)計中的失誤是無法在施工圖設(shè)計中彌補的。工程師在確定結(jié)構(gòu)初步方案時往往不是依靠計算而是靠與過去已建方案的比較,也就是說,主要是一個分布信息的映射過程。盡管有時需要進行一些試分析,所需要的計算精度也不高。此外,在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計階段必須考慮到各種工種的配合,特別是與建筑、設(shè)備和環(huán)境工種的相互配合。因此各結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定必須滿足多目標的要求,各種影響因素的關(guān)系常常是一種網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。最后方案的選取在一定程度上因人而異,有一定的靈活性。許多結(jié)構(gòu)物的概念特征都在初步設(shè)計中得以體現(xiàn)。
3高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計的內(nèi)容
高層建筑的定義并不取決于它的高度或?qū)訑?shù),最重要的準則在于它的設(shè)計是否受到某些“高度”特性的影響:高層建筑的“高度”強烈地影響著其規(guī)劃、設(shè)計、建造和使用;高層建筑的“高度”使得它與“常規(guī)”建筑有較大的區(qū)別。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不是純推理問題,其方案設(shè)計與建筑設(shè)計有著緊密的聯(lián)系。為此,在進行建筑平面布置、確定立面造型與剖面構(gòu)造的同時,就要充分考慮結(jié)構(gòu)方案的可行性,其中包括材料的選用與施工條件等現(xiàn)實問題。高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計的首要問題是在上述約束下做出結(jié)構(gòu)體系優(yōu)選的決策。就國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言,從結(jié)構(gòu)體系來分,主要有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架;剪力墻結(jié)構(gòu)、框架;筒體結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)以及巨型框架結(jié)構(gòu)。一般結(jié)構(gòu)要同時承受垂直荷載和水平荷載,還要抵抗地震作用。高層建筑由抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系和抗重力結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成。在高層建筑中,水平荷載和地震作用是控制因素。高層建筑設(shè)計不僅需要較大的承載能力,而且需要較大的側(cè)向剛度,使水平荷載產(chǎn)生的側(cè)向變形限制在一定范圍內(nèi)。因此,高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為關(guān)鍵。高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計的目標就是確定一個結(jié)構(gòu)安全合理、滿足建筑功能要求、經(jīng)濟上合理的結(jié)構(gòu)方案。
4計算模型的選取
由于建筑都是空間整體的,在當今計算機使用普及和要求計算分析精度的情況下,應(yīng)優(yōu)先采用基于空間作用的計算機分析方法及相應(yīng)軟件。
4.1 樓板變形比較顯著的結(jié)構(gòu)
在下列情況下,樓板變形比較顯著,樓板平面內(nèi)剛度無限大的假定不符合實際情況,應(yīng)對采用剛性樓面假定的計算結(jié)果進行修正,或采用樓板面內(nèi)為半剛性的計算方法。①樓面有很大的開洞或缺口,樓面寬度狹窄;②平面上有較長的外伸段;③底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層樓面;④錯層結(jié)構(gòu);⑤樓面的整體性較差。
4.2 多塔樓結(jié)構(gòu)的計算分析
對于大底盤結(jié)構(gòu),如果把裙房部分按塔樓的形式切開計算,則下部裙房及基礎(chǔ)的計算誤差較大,且各塔樓之間相互影響無法考慮。因此應(yīng)先進行整體計算,按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》取夠振型數(shù),并考慮塔樓之間的相互影響。計算時,假定樓板面內(nèi)分塊無限剛。
4.3 帶轉(zhuǎn)換層、加強層以及連體的結(jié)構(gòu)
對帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)、帶加強層的結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu),應(yīng)選用合適的計算單元進行分析。在整體分析后,應(yīng)對簡化處理過的轉(zhuǎn)換層、加強層及連接體進行更細致的應(yīng)力分析。
4.4 關(guān)于結(jié)構(gòu)底部的嵌固部位的確定
建筑物,尤其時高層建筑,在進行結(jié)構(gòu)計算分析之前,必須首先確定結(jié)構(gòu)嵌固端所在的位置。嵌固端的正確選取是高層建筑結(jié)構(gòu)計算模型中的一個重要假定,它不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件內(nèi)力分配的準確性,而且還影響到結(jié)構(gòu)局部的經(jīng)濟性。確定嵌固部位可通過剛度和承載力調(diào)整迫使塑性鉸在預(yù)期部位出現(xiàn),但嵌固端的選取卻可能因為建筑物的各種不同情況:
(1)不設(shè)地下室但基礎(chǔ)埋深較大。
(2)有地下室,但地下室層數(shù)有多有少,而且基礎(chǔ)形式不同,產(chǎn)生不同的技術(shù)問題。
4.4.1 單層地下室
當高層建筑僅設(shè)一層地下室時,其嵌固端位置需視情況而定。首層樓面留有大洞,或選用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)時,一般取地下室底板為結(jié)構(gòu)嵌固端;當?shù)叵率易鳛榉揽盏叵率业那闆r,因為防空地下室之頂板通常具有作為結(jié)構(gòu)嵌固端的剛度,因此可取其頂板處為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。
4.4.2 無地下室
高層建筑不設(shè)地下室通常是針對層數(shù)有限的小高層,或者其基礎(chǔ)持力層較淺的情況。從抗震角度考慮,不提倡不設(shè)地下室。無地下室的高層建筑,不管是采取天然地基基礎(chǔ)抑或采用樁基礎(chǔ),如要以基礎(chǔ)(承臺)面為結(jié)構(gòu)嵌固端,則必須在該標高處的縱橫方向設(shè)置剛度較大的基礎(chǔ)梁加以連結(jié),首層計算層高應(yīng)從基礎(chǔ)面算起;倘若基礎(chǔ)(承臺)面標高處無基礎(chǔ)梁連結(jié)或者所設(shè)的基礎(chǔ)梁剛度過弱,但地面標高處設(shè)有剛性地面,則此剛性地面可作為嵌固端,其首層計算層高可從地面算起。
4.4.3 多層地下室
帶多層地下室的建筑,宜將上部結(jié)構(gòu)的嵌固端部位設(shè)在地下室頂板,此時應(yīng)滿足下列條件:
(1)地下室頂板標高與室外地坪的高差不能太大,一般應(yīng)小于地下一層層高的1/3;
(2)若由于地下室大部分頂板降板或地下一層為車庫(墻體少)等使用要求,不能滿足地下頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固部位的要求時,對于層數(shù)為三層或三層以上的地下室,可將結(jié)構(gòu)嵌固部位置于地下1 層底板,此時除應(yīng)滿足規(guī)范所要求的其他條件外(但部位相應(yīng)由地下室頂板改為地下一層),還應(yīng)滿足下列條件:①地下一層樓層剪切剛度應(yīng)大于地上一層樓層剪切剛度;② 地下二層樓層剪切剛度應(yīng)大于地下一層樓層剪切剛度,并應(yīng)大于地上一層樓層剪切剛度的2.0 倍;
(3)地下室頂板結(jié)構(gòu)應(yīng)為梁板體系,且該層樓面不得留有大孔洞,樓面框架梁的抗彎剛度要足夠大;
(4)地下室柱截面每側(cè)截面的縱向鋼筋面積,除應(yīng)滿足計算要求外,不應(yīng)少于地上一層對應(yīng)柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1 倍;
(5)地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受上部結(jié)構(gòu)屈服超強及地下室本身的地震作用,地下室的樓層剪切剛度不小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層剪切剛度的2 倍;
(6)計算多塔大底盤地下室樓層剪切剛度比時,大底盤地下室的整體剛度與所有塔樓的總體剛度比應(yīng)滿足上述第4 款的要求,每棟塔樓范圍內(nèi)(塔樓周邊向外擴出與地下室高度相等的水平長度)的地下室剪切剛度與相鄰上部塔樓的剪切剛度比不宜小于1.5。
5 結(jié)束語
高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算是一項復雜的工作,它要結(jié)構(gòu)設(shè)計人員既要有扎實的理論功底,又要有豐富的工程經(jīng)驗,這樣設(shè)計出來的建筑物才能達到既安全、可靠,又經(jīng)濟、合理。