何帥
廣西建筑科學(xué)研究設(shè)計院 廣西南寧 530011
高層建筑和多層建筑相比,具有占地面積小,可重復(fù)利用空間,拆遷費用小,工程費用低等優(yōu)勢,能夠很好的緩解城市住房壓力,在各國各大城市中得到了良好發(fā)展。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計具有很強的綜合性和技術(shù)性,需要考慮很多方面,否則不但會影響造成巨大的經(jīng)濟浪費,也不利于保證高層建筑的安全性和抗震性。因此,在設(shè)計階段,必須切實做好結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)選型,以保證高層建筑的穩(wěn)定性和安全性。
某建筑工程,共30層,建筑面積為2.67萬㎡,無地下室,為多功能數(shù)字化辦公樓,層高大于住宅建筑達到3.3m,結(jié)構(gòu)高度為99m,,總體結(jié)構(gòu)在平面上呈現(xiàn)對稱的“井”字分布。
按照案例工程結(jié)構(gòu)布置、穩(wěn)定性、安全性、抗震性的要求,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,可選擇兩種設(shè)計方案,一種是框筒結(jié)構(gòu)體系,另一種是剪力墻結(jié)構(gòu)體系。
方案一,框筒結(jié)構(gòu)體系方案。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在高層建筑結(jié)構(gòu)平面設(shè)計時,必須充分考慮抵抗水平和豎向方向荷載的能力,結(jié)構(gòu)不易太復(fù)雜,以簡單明了為主,以提升抗震性,降低地震對結(jié)構(gòu)體系造成的損害。方案一的具體設(shè)計形式為平面對稱的設(shè)置框架,并保證梁和柱的中心線能夠相互重合,此種設(shè)計方法的優(yōu)勢是便于力量傳導(dǎo),能夠大幅度降低重心不穩(wěn)造成的不良影響??蛲步Y(jié)構(gòu)體系設(shè)計方案,可實現(xiàn)框架和筒體同時承受荷載力,其中筒體結(jié)構(gòu)中剪力墻總的抗彎剛度是結(jié)構(gòu)中所有剪力墻抗彎剛度的總和,這就決定了,此種設(shè)計方案整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)彎型的懸梁。
方案二,剪力墻結(jié)構(gòu)體系。和框筒結(jié)構(gòu)體系相比,剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有更強的抗震能力,而且剪力墻之間的距離,是按照建筑平面的總體布局結(jié)構(gòu)來確定的。如果剪力墻設(shè)計距離過小,就無法充分發(fā)揮出材料的強度,會引起地震反應(yīng)過大問題。而且結(jié)構(gòu)自重也會明顯增大。本工程為30層的多功能數(shù)字化辦公樓,有較大的辦公室和會議室,為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,剪力墻的間距控制在6-8m之間,此種設(shè)計方法,能夠最大限度發(fā)揮出建筑墻體的承載力,而且具有良好技術(shù)效果和經(jīng)濟效果[1]。
通過結(jié)構(gòu)案例工程的特點和用途,對兩種設(shè)計方案進行對比分析,兩種結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方案各有優(yōu)點和特點,通過計算機軟件系統(tǒng)三維模擬分析對比,發(fā)現(xiàn)方案二中剪力墻的軸壓比要低于方案一的軸壓比,會降低混凝土和鋼筋的利用率,不但會增加建設(shè)成本,而且也會增加高層建筑的自重。通過對比分析兩種設(shè)計方案。在結(jié)構(gòu)受力分析,進行合理設(shè)計,兩種結(jié)構(gòu)體系都能滿足工程要求,但從經(jīng)濟效果上來看,對30層高層建筑建筑而言,選擇框筒結(jié)構(gòu)體系最為合理。
高層建筑結(jié)構(gòu)選型是一項非常復(fù)雜的工作,需要綜合考慮很多因素,影響條件和因素也比較多。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,不僅要考慮工程造價和投資能力,更要考慮結(jié)構(gòu)選型對建設(shè)功能的適應(yīng)性,并結(jié)合工程所在區(qū)域的地形地貌,選擇出更加契合當(dāng)?shù)匚幕吞厣母邔咏ㄖY(jié)構(gòu)造型[2]。
在高層建筑豎向承重結(jié)構(gòu)選型中,需要綜合考慮高層建筑的高度、用途等,且不同的結(jié)構(gòu)體系,其剛度、強度也不相同,適應(yīng)的高度也不相同。比如:框架結(jié)構(gòu)比較適用于高度小,層數(shù)少,地震設(shè)防烈度低的高層建筑。框架剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)能夠更好的滿足高度大,自重大的高層建筑工程;而筒體結(jié)構(gòu)則比較適用于層數(shù)多、設(shè)防烈度高的高層建筑。
對高層建筑而言,水平承重結(jié)構(gòu)的主要作用有兩個方面,其一是提升整體穩(wěn)定性,其二是傳遞水平力。常用的水平承重結(jié)構(gòu)型式有四種,包括:平板體系、無梁樓蓋、密肋樓蓋、肋型樓蓋。其中平板體系為簡單的單向板或者雙向板,通常應(yīng)用在剪力墻結(jié)構(gòu)或者筒體結(jié)構(gòu)中,具有板底平整度高,可不加吊頂,結(jié)構(gòu)高度低等優(yōu)勢。但如果跨度比較大,則平板體現(xiàn)很難實現(xiàn)[3]。多數(shù)情況下,非預(yù)應(yīng)力平板結(jié)構(gòu)的長度不超過6m,預(yù)應(yīng)力平板也不超過9m。
下部結(jié)構(gòu)是高層建筑的主要組成部分,其主要作用是將上部結(jié)構(gòu)傳遞來的荷載,有效傳遞給地基。因此,下部結(jié)構(gòu)選型是否科學(xué)合理,直接關(guān)系到整座高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性,而且對工程造價、工期等方面也有較大影響。常用的下部結(jié)構(gòu)有以下幾種:
第一種,柱下獨立基礎(chǔ)。此種下部結(jié)構(gòu)比較適用于層數(shù)少,土質(zhì)好的框架結(jié)構(gòu)。如果地基為巖石,則可以通過錨桿,將基礎(chǔ)錨固到巖石上,但要保證錨入巖石的長度不能小于錨桿直徑的40倍。
第二種,交叉梁基礎(chǔ)。也就是雙向條形基礎(chǔ),適用于層數(shù)不多,土質(zhì)條件一般的框架結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)。本工程就選擇了此種結(jié)構(gòu)型式。
第三種,笩形基礎(chǔ)。適用于土層為軟弱土層的建筑工程結(jié)構(gòu)型式設(shè)計中。
綜上所述,本文采用工程實例結(jié)合理論實踐的方法,分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)選型,分析結(jié)果表明,高層建筑具有很多優(yōu)勢,是目前最為主流的建筑形式之一。結(jié)構(gòu)設(shè)計的高層建筑設(shè)計的重點,其設(shè)計效果,直接關(guān)系到高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性,需要結(jié)合高層建筑的特點、用途、功能等,選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,并做好結(jié)構(gòu)選型,才能滿足使用的要求。