摘要:一個完整的高層住宅建筑必須由專業(yè)設(shè)計人員結(jié)合多方面的系統(tǒng)知識來完成,尤其是結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到建筑整體體型和空間的布置。因此,在進(jìn)行高層結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,應(yīng)做好抗震概念的清晰掌握,采取各種構(gòu)造措施,并通過適宜的分析軟件以取得比較理性化的結(jié)果。只有各種專業(yè)人員通力協(xié)作,發(fā)揮各自的專業(yè)優(yōu)勢,才能擇優(yōu)選擇最佳方案,進(jìn)而設(shè)計出美觀、實用、經(jīng)濟(jì)、安全的高層住宅建筑。
關(guān)鍵詞:高層住宅;建筑結(jié)構(gòu);設(shè)計;優(yōu)化
1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點
1.1利水平荷載是其決定性因素
利水平荷載已經(jīng)成為了高層住宅建筑的決定性因素。在建筑的豎向構(gòu)件中,因為其自身的重量以及樓面使用的荷載,所帶來的軸力和彎矩的數(shù)值是和所建的建筑高度有著正比關(guān)系;然而,對建筑結(jié)構(gòu)來說,水平荷載作用所引起的傾覆力矩以及在豎向構(gòu)件中,其由此引起的軸力和建筑物的高度二次方有著正比關(guān)系;除此之外,對某一特定的高層住宅建筑來說,在大體上,豎向荷載是一個定值,然而,作為建筑的水平荷載上的風(fēng)荷載作用以及地震作用,其數(shù)值是隨著建筑結(jié)構(gòu)的動力特性的變化而隨之有著比較大幅度的變化。
1.2不能忽視軸向變形
在高層的住宅建筑之中,因為豎向上的荷載數(shù)值比較大,其可以在建筑柱中產(chǎn)生比較大的軸向變形,繼而建筑會對連續(xù)的梁彎矩造成一定的影響,致使連續(xù)的建筑梁中間支座處負(fù)彎的矩值度減小,同時,跨中正彎矩以及端支座負(fù)彎矩值度增大;除此之外,給建筑構(gòu)件剪力以及側(cè)移造成影響,把建筑的構(gòu)件豎向變形考慮進(jìn)去及比較后,會直接得出一個不夠安全的結(jié)果。
1.3結(jié)構(gòu)延性成為關(guān)鍵的設(shè)計指標(biāo)
高層住宅建筑和比較低的低樓房兩者比較起來來說,高層的建筑結(jié)構(gòu)更加柔和一些,在地震的迫害作用之下,高層的變形也更大一些。在建筑進(jìn)入到設(shè)計塑性的變形時期之后,為了使建筑結(jié)構(gòu)仍然保留比較強(qiáng)的變形能力,以免倒塌,尤其是需要在建筑的構(gòu)造之上運(yùn)用一定恰當(dāng)?shù)拇胧?,從而來對結(jié)構(gòu)具備充分的延性做出保障。
2.高層住宅的結(jié)構(gòu)體系
2.1剪力墻承重體系
在高層建筑中為了將非承重隔墻的數(shù)量有效的進(jìn)行減少,常常使用剪力墻結(jié)構(gòu)。將一些剪力墻進(jìn)行合理的縱橫相交,在作為承重結(jié)構(gòu)的同時,還可以充當(dāng)分隔間斷墻。由于剪力墻綜合交錯形成剪力墻體系,能夠在很大程度上提高剛度,可以有效的提高建筑整體的抗震能力和抗風(fēng)載荷。當(dāng)然,剪力墻結(jié)構(gòu)并不是沒有缺點,由于綜合交錯的剪力墻將空間分割的比較細(xì)碎,嚴(yán)重束縛了建筑的平面布局。針對這個問題,可以采用跨度相對比較大的樓板和輕質(zhì)的隔斷相搭配,從而實現(xiàn)內(nèi)部空間的靈活組織。
2.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系
高層建筑常常將一部分的框架利用較大的剪力墻進(jìn)行替換,從而解決框架體系強(qiáng)度和剛度不足的問題,這樣就形成了框架—剪力墻體系??蚣芎图袅υ谒搅Φ淖饔孟潞蛣偠茸銐虻臉前逡约斑B梁協(xié)同工作,從而形成一個體系。在體系中,垂直方向上的載荷主要由框架體系承受,而水平方向上的剪力主要由剪力墻來承受。剪力墻的存在使住宅結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度在很大程度上加大,同時極大的減小了建筑的水平位移。與此同時,建筑所受到的水平剪力的影響將在很大程度上降低,并且內(nèi)力沿著豎向的分布慢慢的趨向于均勻。
2.3筒形結(jié)構(gòu)體系
凡采用筒體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為筒體體系,包括單筒體、筒體—框架、筒中筒、多束筒等多種型式。作為空間受力構(gòu)件的筒體有兩種不同的類型:實腹筒和空腹筒。實腹筒作為一個三維豎向結(jié)構(gòu)單體是由平面或曲面墻圍成。而空腹筒作為一個空間受力構(gòu)件則是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的。筒體體系的各個部件的受力情況相對比較合理,因而剛度和強(qiáng)度比較強(qiáng),有著很強(qiáng)的抗風(fēng)能力和抗震能力,因此在高層建筑中的使用比較普遍。
2.4其他結(jié)構(gòu)體系
隨著建筑技術(shù)以及相關(guān)材料科學(xué)的飛速發(fā)展,高層建筑設(shè)計處于一個動態(tài)的變化過程之中,其結(jié)構(gòu)體系設(shè)計勢必也會隨之不斷的更新發(fā)展,新的結(jié)構(gòu)體系代替就的結(jié)構(gòu)體系是不可避免的。從目前看,現(xiàn)在很多新型的結(jié)構(gòu)體系都還處于探索的過程之中,如筒中筒結(jié)構(gòu)的發(fā)展、或者束狀筒的組合,外筒桁架交錯,以中心并筒懸掛式結(jié)構(gòu)以及很高的桁架梁的體系等。這些結(jié)構(gòu)體系由于尚不夠成熟,因此要用于實踐之中還需要一段時間的成長。
3.高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化措施
3.1折減高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的周期性
高層住宅建筑在設(shè)計框架、頂蓋等結(jié)構(gòu)時,由于填充墻體的具體存在,導(dǎo)致實際中的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的剛度比設(shè)計時候計算得到的剛度相差比較大,計算的周期同時也比實際的周期相差比較大。因此,結(jié)構(gòu)剪力算出來偏小的時候,會造成房屋的一些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不安全因素,所以應(yīng)該適當(dāng)把房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計時計算得到的進(jìn)行折減,能夠取得到顯著的效果,但是高層住宅建筑的框架結(jié)構(gòu),不能折剪計算得到的周期。
3.2對剪力墻的設(shè)計要加強(qiáng)
剪力墻的設(shè)計關(guān)鍵是連梁設(shè)計。聯(lián)肢墻是連梁把各墻肢進(jìn)行聯(lián)結(jié)組成,增大了約束墻肢的剛度。連梁剛度被增大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震作用同時增大,也增大了連梁與墻肢的分配內(nèi)力,這種情況下只能把構(gòu)件配筋量增大,這樣的設(shè)計結(jié)果明顯在很大程度上浪費了材料。所以,高層住宅建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計的時候,不應(yīng)該把具有大剛度的窗下墻當(dāng)作連梁,而是要把連梁設(shè)計分為截面和小剛度的弱連梁。當(dāng)然,滿足了結(jié)構(gòu)的剛度和變形的要求后,就要從經(jīng)濟(jì)的角度和抗力以及變形方面進(jìn)行綜合的考慮,合理進(jìn)行抗側(cè)力構(gòu)件的布置。結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的剛度隨著剪力墻的數(shù)量增多而增大,但是相應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移隨之減小,抗側(cè)力剛度變大的同時結(jié)構(gòu)地震力也隨之增大,非常不利于結(jié)構(gòu)造價的控制。所以,剪力墻應(yīng)該遵循周邊分散、均勻等原則進(jìn)行合理的布置,對水平位移的限值進(jìn)行規(guī)范化,盡最大程度的把剪力墻的數(shù)量降到最低。
3.3高層住宅建筑結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的優(yōu)化
高層住宅建筑結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計能夠確保在高層使用后,在合理使用的壽命期限里,應(yīng)該滿足居住者的使用要求。一般情況下,高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計,最理想的是能夠做到造價低廉和節(jié)約材料,然而最近幾年來,人們的生活水平得到很大的提高,對生活質(zhì)量的要求越來越高,加上在實際的工程中,由于一些使用要求、技術(shù)指標(biāo)等成為了設(shè)計中的主要矛盾時,設(shè)計方案就無法單純的追求節(jié)省經(jīng)濟(jì)。因此,在高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計以優(yōu)化為目標(biāo)時,應(yīng)該要正確了解掌握設(shè)計中關(guān)鍵性的問題,主次分明的對目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計的優(yōu)化,使之能夠達(dá)到整體滿意的效果。
3.4高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計的優(yōu)化
進(jìn)行圖紙的設(shè)計時,應(yīng)該按抗震設(shè)防進(jìn)行分類,抗震等級要依照具體的建筑高度、結(jié)構(gòu)類型以國家頒布的《抗震規(guī)范》為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。在建筑中可以不考慮地震震力的振型數(shù)據(jù)耦聯(lián)扭轉(zhuǎn)的計算;當(dāng)振型數(shù)據(jù)gt;3時,要以3的整數(shù)倍進(jìn)行計算,但是數(shù)據(jù)必須小于建筑物的層數(shù);當(dāng)建筑物的層數(shù)低于2層時,振型數(shù)可以采用建筑物的層數(shù)。但是在房屋結(jié)構(gòu)不規(guī)則時,就要對扭耦聯(lián)轉(zhuǎn)進(jìn)行考慮,高層住宅建筑的振型數(shù)不能低于8,建筑結(jié)構(gòu)的層數(shù)多、剛度系數(shù)大,就應(yīng)該多要振型數(shù),才能達(dá)到更好的抗震效果。
3.5結(jié)構(gòu)設(shè)計要注重細(xì)節(jié)的優(yōu)化
在設(shè)計過程中,不僅要注重整體結(jié)構(gòu),也要注重局部構(gòu)件。澆板設(shè)計可以把異形板細(xì)分成矩形板,能夠使受力更加均勻,同時也防止發(fā)生拐角裂縫。在建筑底部的梁箍筋使用的配箍量相當(dāng)較大,因此箍筋采用冷軋帶肋的鋼筋,不僅可以減少箍筋直徑和肢數(shù),還能節(jié)約工程造價。當(dāng)高層住宅建筑的結(jié)構(gòu)不規(guī)則縱向時,特別要仔細(xì)計算出最薄弱的位置加以優(yōu)化。
4.結(jié)語
隨著不斷加快的城市化進(jìn)程,越來越緊張的城市建設(shè)用地,城市住宅建筑大多朝向超高層和高層發(fā)展,以提高用地效率,這也更高的要求建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。因而我們廣大建筑設(shè)計人員應(yīng)熟悉相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條文以及建筑設(shè)計規(guī)范,熟練掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)要點,合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系,做好結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化,提高建筑的結(jié)構(gòu)安全性,降低設(shè)計成本,為社會創(chuàng)造出更多的高層建筑精品。
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