高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相關(guān)問題及優(yōu)化措施

劉榮江

摘要：文章主要闡述了高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相關(guān)問題進(jìn)行了分析與研究，從中提出了高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施，以供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)原則；結(jié)構(gòu)問題；措施

1 引言

近年來，隨著城市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高層建筑在城市中的建設(shè)數(shù)量不斷增多，由于鋼筋混凝土具有整體性好、剛度大、位移小等優(yōu)點(diǎn)，從而在建筑建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，但在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要考慮樓層高低和土地利用率的問題，而且要考慮到高層建筑結(jié)構(gòu)的可行性、安全性以及人們需求性之間如何協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益的最大化的問題。因此，如何優(yōu)化高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要的研究意義。本文主要就高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相關(guān)問題及優(yōu)化措施。

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及特點(diǎn)

隨著高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，要想保證高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，就必須遵循一定的原則，加強(qiáng)高層的建筑結(jié)構(gòu)的使用維護(hù)、施工及設(shè)計(jì)。其原則需求主要表現(xiàn)在：一是安全性原則。在設(shè)計(jì)的合理的使用年限以內(nèi)的高層建筑的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)該可以承擔(dān)各種可能 發(fā)生的突發(fā)情況。而且在發(fā)生了偶然事件以后，建筑物的結(jié)構(gòu)必須要保持一定的穩(wěn)定特性；二是耐久性原則。在設(shè)計(jì)的可以使用的年限以內(nèi)，高層建筑的結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有一定的耐久性。三是適用性原則。在它能夠合理使用的年限以內(nèi)，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該可以滿足使用的要求，具有較好的抗振、抗裂縫或者抗變形的性能。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）水平側(cè)向力是影響高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)于變形設(shè)計(jì)的主要影響因素。高層建筑受到的水平力主要為日常的風(fēng)荷載及地震荷載作用下產(chǎn)生的水平地震力。與普通多層建筑相 比，高層建筑的結(jié)構(gòu)中更需要考慮到側(cè)向力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響，這是因?yàn)楦邔咏ㄖ艿剿胶奢d會(huì)產(chǎn)生較大的水平位移，影響到建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和舒適性。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要尤其注意考慮到這一點(diǎn)。

（2）結(jié)構(gòu)的剛度布置需適宜。有人認(rèn)為在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的剛度越大則其承載能力越強(qiáng)，抗震性能就越好。其實(shí)不然，高層建筑的結(jié)構(gòu)并非是剛度越大越好，剛度及質(zhì)量越大，吸引的地震力也越大，同時(shí)造價(jià)也會(huì)提高，所以高層建筑結(jié)構(gòu)需同時(shí)具備一定的柔性，這樣才能增大其抗震性能，保證其在外力作用下，不會(huì)因剛度和脆性過大而發(fā)生倒塌。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)該將建筑的剛度控制在適宜的范圍內(nèi)，不可過大，也不可過小。這也就要求高層建筑應(yīng)當(dāng)具備一定的延性，同時(shí)滿足建筑的承載能力和抗震能力。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析

3.1 設(shè)置短肢剪力墻

短肢剪力墻的使用雖然具有一定的作用，但是在使用數(shù)量上一定要嚴(yán)格參照規(guī)范，不可設(shè)置過多。而且，在抗震達(dá)到要求的情況下，建筑設(shè)計(jì)師可以盡量少采用這種結(jié)構(gòu)，盡量減少后面處理的麻煩。

3.2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

結(jié)構(gòu)體系的選擇是高層建筑鋼筋混凝土設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，在一些地基基礎(chǔ)比較穩(wěn)固的地方，在上部結(jié)構(gòu)能夠滿足變形限值的前提下，考慮到建筑的外觀問題，可以盡量減小剛度。規(guī)范中確定轉(zhuǎn)換層上下剛度比的公式宜改為控制上下層轉(zhuǎn)角的比值在1左右較為合理。規(guī)范中頂點(diǎn)位移和層間位移限值不盡合理，可以通過采取措施來突破這些限值。水平加強(qiáng)層在增加側(cè)向剛度的同時(shí)，會(huì)使外柱 的剪力有較大增加，應(yīng)慎重設(shè)計(jì)。

3.3 結(jié)構(gòu)的超高問題

高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)超高具有一定的規(guī)定，尤其是在抗震規(guī)范中，建筑物的高度控制是非常嚴(yán)格的，而在新規(guī)范中對(duì)這一點(diǎn)重新進(jìn)行了界定，除了將原來的限制高度設(shè)定為A級(jí)高度的建筑外，增加了B級(jí)高度的建筑。因此，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候一定不可以超越其應(yīng)屬范圍，B級(jí)建筑物就應(yīng)該控制在B級(jí)規(guī)定范圍之內(nèi)，一旦超過了，那么無論是設(shè)計(jì)還是施工都要全部進(jìn)行重新設(shè)定。在現(xiàn)實(shí)情況中這類問題曾經(jīng)出現(xiàn)過，結(jié)果導(dǎo) 致審查時(shí)難以通過。

4 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的優(yōu)化

4.1 注重混凝土結(jié)構(gòu)抗震功能的設(shè)計(jì)

高層建筑鋼筋混凝土的抗震設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素之一，在進(jìn)行工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，房屋的結(jié)構(gòu)按照其抗震的設(shè)防進(jìn)行分類，其中房屋抗震的等級(jí)可以依據(jù)房屋結(jié)構(gòu)類型、烈度和高度來按照國(guó)家抗震規(guī)范來確定。高層房屋結(jié)構(gòu)的層數(shù)多或者房屋結(jié)構(gòu)的剛度突變系數(shù)較大的話，其振型數(shù)則應(yīng)該多取，例如房屋結(jié)構(gòu)中含有多塔結(jié)構(gòu)、頂部有小塔樓、轉(zhuǎn)換層等，其振型數(shù)應(yīng)盡量取≥12的數(shù)，但是它的大小依然不可以大于房屋總共層數(shù)的3倍，除了含有彈性的樓板，而且在進(jìn)行總剛性的分析時(shí)，它的振型數(shù)才可以取得更大些。

4.2 加強(qiáng)對(duì)高強(qiáng)砼和高強(qiáng)鋼筋的合理設(shè)計(jì)

為了可以有效地降低基本設(shè)施實(shí)施的難度與工程造價(jià)，在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要合理地使用高強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)度鋼筋。高層建筑的總造價(jià)一般包含框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)物料、施工及材料費(fèi)用等，其中影響房屋造價(jià)比較大的是構(gòu)筑件截面積和用鋼量，所以，為了有效地降低建筑的用鋼量，可以在建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候合理地使用高強(qiáng)度鋼筋和高強(qiáng)混凝土，這樣可以大幅度地節(jié)約建筑的成本。若高層的建筑設(shè)計(jì)是在厚軟的地基上面的話，由于矗立在地基上面的荷載比較大，所以應(yīng)該高效合理地使用高強(qiáng)混凝土及高強(qiáng)鋼筋來優(yōu)化構(gòu)件的截面積，用來減少結(jié)構(gòu)的重量，這樣可以明顯地降低基本設(shè)施的實(shí)施難度和工程的造價(jià)，用來取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

4.3 加強(qiáng)對(duì)高層建筑構(gòu)造周期性折減系數(shù)設(shè)計(jì)

在框架結(jié)構(gòu)中，當(dāng)采用砌體來填充墻體時(shí)，折減系數(shù)在計(jì)算周期時(shí)取0.6～0.7；當(dāng)采用輕質(zhì)的砌塊或者墻體少時(shí)，折減系數(shù)在計(jì)算周期時(shí)取0.7～0.8；當(dāng)采用輕質(zhì)的墻板時(shí)，折減系數(shù)在計(jì)算周期時(shí)取 0.9。除了沒有墻的框架結(jié)構(gòu)，其余都要進(jìn)行適量的折減。在框架結(jié)構(gòu)與頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，填充墻會(huì)直接使結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度大于設(shè)計(jì)時(shí)的剛度，所以這就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的實(shí)際周期。因此，計(jì)算出的結(jié)構(gòu)剪力比較小時(shí)，這就會(huì)使房屋建筑的結(jié)構(gòu)不安全，所以要把建筑物的結(jié)構(gòu)計(jì)算周期進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，只有這樣建筑的效果才能有所改善。

4.4 提高高層建筑耐久功能

在高層建筑鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主要目的，則要根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范來處理主要問題，認(rèn)清主次，通過多種目標(biāo)與單一目標(biāo)的優(yōu)化使設(shè)計(jì)的效果令人滿意。因此，必須加強(qiáng)房屋耐久性設(shè)計(jì)，在原來的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的耐久性往往沒有得到設(shè)計(jì)人員充分的考慮，其實(shí)就是在規(guī)定的使用年限內(nèi)對(duì)于用戶的各種正常使用要求均能夠滿足。在實(shí)際情況中，許多方案設(shè)計(jì)都沒有達(dá)到這些要求。出現(xiàn)這種情況的主要原因是設(shè)計(jì)時(shí)沒有完全考慮建筑物在實(shí)際運(yùn)作中由于環(huán)境、條件的影響，從而導(dǎo)致建筑的可靠指數(shù)明顯降低。因此在對(duì)一般的高層建筑混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要都集中在造價(jià)、材料上，所以只有造價(jià)小、材料少的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才是滿意的設(shè)計(jì)。

4.5 加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)廣泛說來包括了建筑結(jié)構(gòu)受力與變 形特性的整體概念，同時(shí)還包括建筑物的外觀設(shè)計(jì)。由于建筑不同于普通商品，尤其是高層建筑，很多因?yàn)槭堑乩順?biāo)志性建筑，所以往往都是有一定個(gè)性的，千篇一律的建筑會(huì)給人帶來枯燥的審美觀。在概念設(shè)計(jì)上，我們應(yīng)該多選擇一些新穎的建筑樣式，同時(shí)又要注意其抗震設(shè)計(jì)、抗風(fēng)設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)要素。但是建筑也不能盲目的標(biāo)新立異，結(jié)構(gòu)上應(yīng)該選擇規(guī)則性強(qiáng)一些的，不論是平面或者立體都應(yīng)該盡量遵循這個(gè)原則。而且建筑在彈性設(shè)計(jì)上，盡量要滿足延展性的需求。這種概念設(shè)計(jì)的強(qiáng)調(diào)是對(duì)建筑師的必須要求，建筑設(shè)計(jì)師一定要重視各種規(guī)范規(guī)定，千萬不要陷入只管設(shè)計(jì)不管計(jì)算的誤區(qū)。

5 結(jié)語

綜合上述，根據(jù)高層建筑鋼筋混凝土的特點(diǎn)分析，在對(duì)鋼筋混凝土高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)充分掌握高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)問題，從而在設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮建筑力學(xué)材料的特性，加強(qiáng)設(shè)計(jì)過程的優(yōu)化，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的建筑作品，減少今后給人們?nèi)粘Ｉ顜淼挠绊懀瑥亩ＷC建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和人們使用安全。

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