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高层建筑混凝土结构设计探索

【摘要】过去由于建筑技术和经济方面等原因,一般的建筑都不会高于10层。现今随社会发展,必然会出现高层建筑。高层建筑与低层建筑在结构整体稳定性、构件截面的选择、重要部位的延性和整体的结构体系设计都大不相同;并且两者之间在结构耐久性、受力特点、稳固性和设计特点也不尽相同。本文主要分析高层结构混凝土结构设计中的主要设计形式和设计特点,总结了在相关设计过程中容易出现的一些遗漏和错误,结合自身的经验和体会,提出了相应的优化措施。

【关键词】高层建筑;混凝土;结构设计

随着工业化、商业化、城市化在我国的迅速展开,以及改革开放和人口迁徙等因素,人口适宜居住和土地合理使用等问题越发突出,对于建筑形式提出了更高的要求,所以高层建筑逐渐进入人们的视野。由于建筑的高度发生变化,建筑的功能和类型也逐渐多样,导致其结构设计也随之日益复杂,其中混凝土结构设计更是最容易出现遗漏和错误的环节,也是整个建筑施工过程的基础。

一、高层建筑的混凝土结构的设计形式和设计特点

(1)设计形式的概述在高层建筑刚发展的时候,混凝土结构体系最常用的是框架、剪力墙和框架-剪力墙三种传统体系结构;但伴随着建筑技术和建筑材料的发展,以及建筑层数的不断增加,现今最常用的是框筒、多束筒和筒中筒三种类型体系结构。1.1框架结构体系:这种体系是过去低层建筑中最常用的房屋结构,一般仅适用于10层及10层以下的低层建筑。整个结构体系是以框架梁、框架柱为骨架的刚性一体式连接结构,具有抗震性强、自身结构完整、重量轻和强度高等优点。但当框架结构的房屋高度增加时,框架结构的侧向力作用也随高度而增加,其自身水平负载所产生的内力也远超于竖向负载所产生的内力;而框架结构本身又存在抗侧向位移刚度小、支座不均衡沉降敏感等结构问题,所以很容易是整个建筑结构发生侧向位移等情况。1.2剪力墙结构体系:这种结构体系相对于框架结构体系是一种更优的发展体系,一般适用于25~30层的房屋建筑结构。整个结构体系是由横向和纵向所组成的一体化钢筋混凝土墙结构,具有侧向位移刚度大、整体性好、水平力作用下侧向位移小,以及没有梁和柱等构件外露的优点,并且对房屋有围护和分割作用,以及能够有效的抵抗水平负载和竖向负载。但由于剪力墙的结构性延展性差,导致建筑内部划分的空间较狭窄,仅适用于宾馆和住宅等建筑。1.3框架-剪力墙结构体系:这种结构体系是综合了前两种结构体系的优点所产生的,一般适用于10~25层的房屋建筑结构。整个结构体系是由框架和剪力墙共同组成的,把各种负载压力分流到各种承载物上;一般的水平负载是由剪力墙结构所承担的,一般的竖向负载是由框架结构所承担的。这样的分流可以大幅度减少柱梁的截面和增加建筑空间的灵活度,以及增强侧向位移的刚度,是一种非常实用的结构体系。1.4框筒结构体系:这是一组合式的结构体系,一般适用于30~80层的高层建筑。整个结构体系是由钢筋混凝土围成侧向位移刚度较大,并在房屋中央安置剪力墙薄壁筒,和在周围布置大柱距的一般框架的结构,具有抗扭刚度大、抗侧移刚度大等优点。1.5筒中筒结构体系:这种结构体系是由两部分组合而成,即内筒和外筒组合而成的,具有良好的抗风性、抗震性和空间整体性。1.6多束筒结构体系:这种结构体系是在平面结构内设置多个剪力墙和薄壁筒体,一般适用于平面形状较为复杂的房屋建筑。(2)设计特点概述高层建筑与中低层建筑相比,其自身的抗震性能、抗侧刚度和承载力等各方面都不相同。不同结构体系的选择将直接影响到整体建筑施工的效果,所以需要通过更加优良的设计概念和合理的构造措施,以及更加专业的相关知识来对整个设计体系进行考虑和选择。2.1考虑侧向力:在低层建筑中,侧向位移力十分之小,可以忽略不计;在高层建筑中,侧向位移力随高度增加而逐渐增大;2.2考虑负载性:由于土质、建筑材料等各种因素影响,在不同的地基或桩基上施工时,要依据情况的不同来采用不同的处理措施,并且需要使地基基础的负载力与上层结构的重力相一致2.3考虑延展性:高层建筑由于高度的增加,需要更好的延展性,以及薄弱层的结构需要更加柔软,使整个建筑能够在地震作用下,有更大程度上的变形能力。2.4考虑刚度强:由于建筑高度的不断增加,高层建筑的侧向位移也相应增大。所以在对高层建筑进行相关设计时,需要考虑整体结构的强度和刚度,使整体结构能够有合理的自振频率和位移控制2.5考虑抗震性:在选择施工地段时,要选择地质坚硬密实的开阔平坦地段。并且要考虑整体结构的负载力和变形能力两个因素。

二、高层建筑混凝土结构设计的注意事项

由于高层建筑和低层建筑在许多方面都不同,所以在对高层建筑混凝土结构的设计当中,需要注意几个重要问题:1.规范问题:由于建筑行业的迅速发展。过去的规范文件并不适合现今的高层建筑;现在的新规范在内容上发生了很大的变化,增添了更多的限制条件和一些强制性规则,所以设计师在对高层建筑混凝土结构进行相关设计时,必须严格按照规范要求,遵守相关限制条件和强制性规则,避免影响整个施工过程的顺利进行。2.高度问题:高层建筑最明显的特点,就是高度;虽然过高的高度能够增加更多的居住空间和提高土地的利用率,但是为了应对相应的自然灾害(地震、台风等)来袭,建筑物的高度就需要进行严格的限制。3.嵌固端的问题:由于嵌固的稳固性会影响整体的稳固性,所以在对整体的稳固性进行设计和计算时,需要注意嵌固的设置合理性。

三、高层建筑混凝土结构设计的优化措施

1.增加建筑整体结构的延展性当遭遇高强度地震和台风时,高层建筑由于自身高度的影响,需要很强的抗倾斜能力和良好的延展性来应对可能产生的严重后果。但由于经济方面等因素,只需要对一些关键构件提高其延展性。同时对于不同构造的高层建筑,也需要依据其自身特点,来选择相应的构件进行加强。2.增强建筑整体的弹塑性状态除了良好的延展性外,还可以通过结构的良好弹塑性,即改变建筑材料,来吸收地震能量和其他相关自然力量,形成强梁、强柱和强杆件的结构状态。3.优化建筑整体结构的布置整个建筑体系中最主要的两部分,一般是框架和剪力墙。其中对于剪力墙可以采取顺序周边均匀的原则,来进行平面布置的优化;对于框架要采取硬件结构一体化的原则,同时还可以注意下结构美观的问题。

由于现在人口、经济等各方面因素的影响,为了提高土地利用率和满足人口居住需求,高层建筑是社会发展所必然出现的产物。现在的大多数建筑结构都是混凝土结构,但由于高层建筑出现的时间较短,现有的各方面相关经验和措施都较少,所以需要对于混凝土结构设计的优化进一步讨论和发展,来获取更高的经济效益和社会效益。

作者:李婷婷 单位:中国建筑上海设计研究院有限公司

【参考文献】

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