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        高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)選型探討

        2016-10-21 10:35:53周狄青
        建筑建材裝飾 2016年4期
        關(guān)鍵詞:高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

        周狄青

        摘要:高層建筑結(jié)構(gòu)的選型是一個非常復(fù)雜的決策問題,并包含大量的不確定性和未知的因素。文章從影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的諸多因素入手,對高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工程結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了分析。

        關(guān)鍵詞:高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;結(jié)構(gòu)選型

        前言

        隨著我國各項經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度的增快,城市中的高層建筑物日益增多,要想確保高層建筑物的經(jīng)濟(jì)性、安全性、穩(wěn)定性,就要做好其結(jié)構(gòu)的設(shè)計和選型。本文從高層建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā),探討了做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和選型的基本方法,希望能為結(jié)構(gòu)設(shè)計從業(yè)人員提供一些借鑒。

        1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)分析

        1.1 控制水平載荷

        在高層建筑的抗力設(shè)計中,水平荷載成為控制因素。一方面,因為樓房自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值,僅與樓房高度的一次方成正比;而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩,以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力,是與樓房高度的兩次方成正比;另一方面,對某一定高度樓房來說,豎向荷載大體上是定值,而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用,其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。因此,水平載荷直接決定了高層建筑的整體穩(wěn)定性。可見在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,應(yīng)嚴(yán)格控制水平載荷,防止出現(xiàn)因水平載荷過大引起的連鎖性穩(wěn)定問題。

        1.2 控制抗震性能

        在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,抗震性能是其所關(guān)注的要點(diǎn)內(nèi)容,它與建筑的使用以及人員安全密切相關(guān)。高層建筑抗震性能的影響因素較多,在設(shè)計環(huán)節(jié),設(shè)計人員就應(yīng)對正常使用中設(shè)計的水平以及豎向載荷進(jìn)行考慮,同時應(yīng)從建筑結(jié)構(gòu)選型中保證一定地震水平中建筑的穩(wěn)定性,確保高層建筑實現(xiàn)“小震不壞、大震不倒”的抗震目標(biāo)。

        1.3 控制設(shè)計中側(cè)移

        在高層建筑使用過程中,側(cè)移問題是較為突出的穩(wěn)定性問題,側(cè)移產(chǎn)生的主要原因,是建筑整體上部與下部所受水平載荷不同,而整體剛度水平基本一致,而造成結(jié)構(gòu)側(cè)向移動形變。高層建筑側(cè)移水平與建筑高度4次方成正比例關(guān)系(在水平荷載為側(cè)向均布時),設(shè)計人員在高層建筑設(shè)計過程中應(yīng)重視側(cè)移水平的控制。

        1.4 控制軸向變形

        框剪結(jié)構(gòu)體系目前在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用最多,在這一體系中高層建筑整體豎向載荷在中柱結(jié)構(gòu)處相對集中,因而向建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傳遞的壓強(qiáng)更大,而與之相比邊框結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力相對較小,軸向壓強(qiáng)也較小。不同外部壓力載荷條件下,高層建筑結(jié)構(gòu)在豎向呈現(xiàn)差異性壓縮變形趨勢。因此,設(shè)計人員應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,避免因過大的軸向變形而形成連續(xù)梁中間支座沉陷等系列問題。

        1.5 控制自重

        隨著高層建筑整體高度的不斷增加,其結(jié)構(gòu)體量與向基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傳遞的載荷也在不斷提升。而在高層建筑整體自重水平超過地基承載能力的情況下,高層建筑將出現(xiàn)下沉、傾覆或抗震性能不足等系列問題,這種問題在軟土地基等不良地質(zhì)條件下更為突出。因此,設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)實際條件,通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計降低高層建筑自重,使其不超出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的極限承載能力,確保高層建筑整體的穩(wěn)定性。

        2 高層建筑結(jié)構(gòu)選型

        2.1 高層建筑上部結(jié)構(gòu)主要形式與選擇

        (1)框架結(jié)構(gòu)

        高層建筑框架結(jié)構(gòu)由梁、柱和樓板等多種構(gòu)件組成,具有高延展性、結(jié)構(gòu)自重輕以及建筑空間大等系列優(yōu)勢??蚣芙Y(jié)構(gòu)高層建筑的填充墻的選擇很多,目前應(yīng)用較為廣泛的是輕質(zhì)隔墻結(jié)構(gòu),在經(jīng)濟(jì)性與軸向穩(wěn)定性等方面有著良好結(jié)構(gòu)表現(xiàn)。高層建筑框架結(jié)構(gòu)適用于6度設(shè)防條件下的60m高度范圍。

        (2)框架一剪力墻結(jié)構(gòu)

        高層建筑框架一剪力墻結(jié)構(gòu)將內(nèi)部電梯間轉(zhuǎn)化為筒體結(jié)構(gòu)來抵抗水平載荷對于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響,而框架柱則主要承載高層建筑整體的豎向載荷,具有理想的剛度與抗震性能表現(xiàn)。高層建筑框架一剪力墻結(jié)構(gòu)適用于6度設(shè)防條件下的130m高度范圍。

        (3)剪力墻結(jié)構(gòu)

        高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是整體性好且側(cè)向剛度大,水平力作用下側(cè)移小,能夠方便房間內(nèi)部的布置。能夠通過在合適的位置開結(jié)構(gòu)洞,以便形成若干短肢剪力墻,用來調(diào)整整體的剛度。并且還可以采用輕質(zhì)填充墻來減輕結(jié)構(gòu)的自重以及工程造價。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)適用于6度設(shè)防條件下的140m高度范圍。

        (4)簡體結(jié)構(gòu)

        框架一核心筒結(jié)構(gòu)一般是由實體的核心筒與外框架組成。在一般單位設(shè)計中,都會把電梯間和一些服務(wù)用房集中在核心筒內(nèi),其他需要相對較大空間的辦公用房與商業(yè)用房等等一般都會布置在外框架的部分。因為核心筒是由兩個方向的剪力墻所形成的封閉的空間結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)相對于框架一剪力墻結(jié)構(gòu)整體性與抗側(cè)剛度要更強(qiáng)一些。且其剛心和質(zhì)心偏差很小。其適用的高度范圍一般都是150m以下(6度設(shè)防)。

        2.2 高層建筑下部結(jié)構(gòu)主要形式與選擇

        高層建筑下部結(jié)構(gòu)主要形式包括以下幾種,設(shè)計人員在選型確定過程中,應(yīng)注意其間的差別,合理選擇:

        (1)柱下獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

        載荷承載能力相對較低,適用于層數(shù)較少的框架結(jié)構(gòu)高層建筑,同時對于施工建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)條件要求較高。

        (2)交叉梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

        顧名思義,此類型下部結(jié)構(gòu)由相互交叉的條形梁構(gòu)成基礎(chǔ)部分,適用于層數(shù)較少的框剪力結(jié)構(gòu)體系高層建筑。

        (3)片筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

        片筏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體剛度較弱,需要相對理想地質(zhì)土體提供輔助載荷能力,適用于層數(shù)較少的高層建筑結(jié)構(gòu),需要嚴(yán)格控制沉降、形變以及裂縫等系列問題。

        (4)復(fù)合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

        在基坑施工環(huán)節(jié)就包含了對于地質(zhì)土體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性加固,主要適用于層數(shù)相對較多或是土質(zhì)相對較弱的情況,高粘結(jié)強(qiáng)度復(fù)合地基的代表是CFG樁復(fù)合地基。當(dāng)前已經(jīng)廣泛的運(yùn)用到高層建筑地基的建設(shè)當(dāng)中

        3 高層建筑結(jié)構(gòu)選型的影響因素

        高層建筑是一個單體,它可以是一個統(tǒng)計上的差異,不僅不確定影響因素繁多,而且各影響因素之間錯綜復(fù)雜、相互之間作用大,同時其綜合性也很強(qiáng),其綜合性能不僅取決于機(jī)械的結(jié)構(gòu)方案分析,還應(yīng)綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、安全、適用等多種因素。綜合決策是非常復(fù)雜的,我們必須考慮的一些主要因素,忽略次要因素。同時,我們還應(yīng)該注意到這些因素可能具有層次性,不同因素還可能存在部分耦連性,各因素對選型的影響又具有一定的模糊性。對于千差萬別的建筑方案,除了對建筑美學(xué)等的考慮外,影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的主要因素可歸納為:

        3.1 環(huán)境條件

        主要包括設(shè)防烈度、場地條件、基本風(fēng)壓等。

        3.2 建筑方案特征

        主要包括方案建筑的高度、高寬比、長寬比以及建筑體型,其中建筑體型包括平面體型和立體體型。平面體型是由平面規(guī)則性、平面對稱性、平面質(zhì)量和剛度偏心等組成,立體體型是由結(jié)構(gòu)高寬比、立面收進(jìn)體型、塔樓和層間剛度等組成。

        3.3 建筑使用功能要求

        高層建筑的使用功能大體上可分為住宅、辦公樓、旅館和綜合樓等。某種功能的建筑可能只有某幾種結(jié)構(gòu)型式和它相匹配。比如高層住宅,由于其使用空間較小,分隔墻體較多,且各層的平面布置基本相同,因此這種功能的建筑就比較適合采用剪力墻或框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

        3.4 施工工期要求

        高層建筑由于投資巨大,結(jié)構(gòu)施工周期的縮短,可以使整個建筑更早地投入使用,取得經(jīng)營收入,同時還可以縮短貸款建設(shè)的還貸時間,從而減少還貸利息。

        3.5 材料供應(yīng)狀況

        3.6 設(shè)計、施工水平

        3.7 結(jié)構(gòu)抗災(zāi)水平和可維護(hù)性

        根據(jù)分析,綜合考慮以上諸因素,可將高層建筑結(jié)構(gòu)選型的決策因素層次初步劃分如下:

        4 高層建筑結(jié)構(gòu)選型方法

        傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)選型方法主要是根據(jù)有關(guān)的規(guī)范條文和設(shè)計經(jīng)驗并舉的經(jīng)驗方法。但是隨著高層建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展,這種結(jié)構(gòu)選型方法已經(jīng)不再適用。針對高層建筑研究出了利用人工智能、專家系統(tǒng)和模糊邏輯、智能設(shè)計等領(lǐng)域的思想和方法形成的主要智能選型方法及其不足之處。

        4.1 專家系統(tǒng)的智能高層選型方法

        專家在長期的設(shè)計實踐活動中積累了很多的建筑選型經(jīng)驗,可以利用專家的這種長處,建立結(jié)構(gòu)選型知識庫,對各種建筑選型的影響因素和方法進(jìn)行評判標(biāo)準(zhǔn),模擬出專家在結(jié)構(gòu)選型時的思維決策過程。但是這種選型方法存在一定的弊端,雖然能夠模擬專家在選型時的思維過程,但是未必能夠全面且恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)專家本人推理的思維過程,在應(yīng)用中使用面較窄。

        4.2 基于知識發(fā)現(xiàn)的智能選型方法

        這種方法主要是從存儲在數(shù)據(jù)庫和其他的信息存儲容器中的大量數(shù)據(jù)里面進(jìn)行篩選,將有價值的知識進(jìn)行篩選。但是這種選型方法的知識獲取量比較大而且高效和自動化,能夠?qū)⑿枰鉀Q的問題中的深層次的規(guī)律性知識進(jìn)行篩選,開拓了高層結(jié)構(gòu)選型的新的手段和途徑。

        5 結(jié)語

        目前在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和選型方面,在國內(nèi)外已經(jīng)引起了眾多專家和學(xué)者的重視,但是在理論研究和方法等方面還沒有得到充分的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)選型在高層建筑行業(yè)發(fā)展中是十分復(fù)雜的一項,擁有很強(qiáng)的綜合性,而且包含著大量的不確定性。因此在結(jié)構(gòu)選型中應(yīng)該研究和建立許多的智能型的優(yōu)化方法,為高層建筑結(jié)構(gòu)選型提供更多的便利。

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