淺談高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳陸陽

新疆維吾爾自治區(qū)建筑設(shè)計研究院，中國·新疆 烏魯木齊 830002

高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 引言

在社會的不斷進(jìn)步中，很多區(qū)域都已經(jīng)開始進(jìn)行高層建筑的設(shè)計施工，并且開始結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況進(jìn)行技術(shù)的改進(jìn)和設(shè)計的多元化，但是由于其建設(shè)發(fā)展歷史較短，很多地域間的技術(shù)和施工工藝還存在著許多不足之處需要改進(jìn)，因此，必須學(xué)習(xí)和借鑒國際上先進(jìn)的經(jīng)驗，完善鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計施工工藝。

2 高層建筑主要特征

高層建筑施工工程建設(shè)在長期性的發(fā)展中相對于傳統(tǒng)的低端建筑有著其自有的建筑建設(shè)特點(diǎn)。在建設(shè)施工領(lǐng)域中，部分地區(qū)的施工場地距離相對較遠(yuǎn)，且對于建材的運(yùn)輸以及工作人員的通勤都會產(chǎn)生影響，在施工環(huán)境等各方面施工與傳統(tǒng)的工業(yè)相比，其施工的環(huán)境相對較差。由于大部分的高層建筑施工工程都是在戶外進(jìn)行作業(yè)，受到自然因素的影響嚴(yán)重。因此在從整體的城市施工建設(shè)中，必須要考慮施工環(huán)境施工因素等各方面的影響，制定好完善的施工方案，為建設(shè)高質(zhì)量的施工建筑做好準(zhǔn)備[1]。在城市化的進(jìn)程中，建立高層住宅能夠獲得最大化的建筑面積，解決城市的用地緊張等問題，但是也有可能會導(dǎo)致光污染。一般來說，建造高層建筑也會比建造多層建筑更加節(jié)省土地資源，也有利于美化我們的環(huán)境。

3 高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計特征

3.1 高層建筑的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計管理中，框架結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其由梁和柱節(jié)點(diǎn)共同組成，其中具有靈活以及強(qiáng)大的建筑空間，整體設(shè)置靈活簡便?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的梁柱截面比其他更小，抗震性能更差，從而導(dǎo)致建筑的高度設(shè)計約束性大。建筑的框架結(jié)構(gòu)對于不考慮抗震設(shè)防或低樓層數(shù)的建筑來說，是一種較好的設(shè)計趨勢。

3.2 高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計管理中，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計一般是應(yīng)用于鋼混結(jié)構(gòu)中，其在建設(shè)時中間的間距不能過大，整體的平面圖設(shè)計靈活性差，在建筑設(shè)計中一般經(jīng)常使用。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)由于其整體的施工趨勢不適應(yīng)現(xiàn)階段的管理，因此，其還是存在一定的管理缺陷，必須要根據(jù)現(xiàn)實情況與其他的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用在，這樣才能不斷的提升其整體的使用效益，可改變起重實際管理成果，促進(jìn)這種技術(shù)的合理化創(chuàng)新與不斷進(jìn)步發(fā)展，促進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)。

3.3 高層建筑的多元結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計管理中，框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合時高層建筑中的一種比較受歡迎的設(shè)計結(jié)構(gòu)模式嗎，其高層建筑在承重力和剛度上都比單一的結(jié)構(gòu)設(shè)置的具體的參數(shù)設(shè)計更大，利用這兩種結(jié)構(gòu)設(shè)置可以彌補(bǔ)其中單一結(jié)構(gòu)設(shè)置的不足之處。對此，其應(yīng)用型比較廣泛，也能夠?qū)⒄w的運(yùn)輸形式進(jìn)行改變，從而將不同的使用效率進(jìn)行提升，使得建筑物的扎實程度增加[2]。

3.4 高層建筑的筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計管理中，筒體結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)建筑相比還是具有其明顯的缺陷，所以其一般都是與其他結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行統(tǒng)一結(jié)合出現(xiàn)在高層建筑設(shè)計中。因此必須要對其進(jìn)行完整性的分析和改進(jìn)，逐步的提升其基礎(chǔ)性的質(zhì)量，減少由于結(jié)構(gòu)剛度不足所出現(xiàn)的問題，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模式能夠取長補(bǔ)短。所以在中國這種相結(jié)合的建筑結(jié)構(gòu)模式還是有著比較廣泛的應(yīng)用區(qū)域。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計管理

在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計管理中，目前的豎向荷載和水平荷載對結(jié)構(gòu)的設(shè)計有重要的意義。由于建筑的自重和樓面所使用的荷載在豎向構(gòu)件中的軸力與彎矩的數(shù)值會出現(xiàn)偏差，其與建筑高度具有正比例的關(guān)系。水平荷載所產(chǎn)生的傾覆力矩在豎向構(gòu)件中的軸力與建筑高度的兩次方有正向關(guān)聯(lián)。對高層建筑來說，豎向荷載基本上維持在穩(wěn)定性的狀態(tài)。除此之外，除了水平力作用力外，其他的承重的設(shè)計或建筑比例的設(shè)計等都需要得到重視。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，建筑的質(zhì)量受到多種因素的影響，必須要經(jīng)過多元的研究之后才能不斷的落實下去，只有將量化的東西定性化才能提升高層建筑的質(zhì)量，把握精細(xì)化原則[3]。

5 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)原則

在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計管理中，必須要根據(jù)實際情況選擇合適的規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系。高層建筑必須要考慮實際墻體的承載能力和變形能力，減少由于零部件的損壞而導(dǎo)致內(nèi)部的結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)喪失承受重力，風(fēng)荷載和地震作用的能力。對于可能要出現(xiàn)的建筑薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，采取有效的措施對其進(jìn)行加強(qiáng)管理。而在此期間，高層建筑必須要符合高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置有合理的剛度和承載力度，減少由于局部的突變和扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致建筑出現(xiàn)薄弱區(qū)域。建筑鋼結(jié)構(gòu)指的是在鋼板和熱軋型鋼材共同施工的情況下，構(gòu)成的以鋼為基礎(chǔ)的骨架結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)相比，建筑鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性比較強(qiáng)，內(nèi)部組織比較嚴(yán)密、均勻。建筑鋼結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)勢，但其建造難度相對較高，適用于橋梁建設(shè)、工業(yè)廠房和民用建筑中。如世界聞名的法國埃菲爾鐵塔屬于鋼結(jié)構(gòu)建筑工程，塔身是鋼架鏤空結(jié)構(gòu)，由4 條帶混凝土水泥臺基的鐵柱支撐塔身，鐵柱由水平橫梁連接而成，4個角使用鋼筋水泥材料，而全身使用鋼鐵材料。因此，在現(xiàn)代化建筑工程建設(shè)中，施工企業(yè)應(yīng)注重鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，實現(xiàn)工程的節(jié)能性，實現(xiàn)中國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)[4]。

6 高層混凝士結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

6.1 抗震設(shè)計

抗震設(shè)計過程之中，相關(guān)的工作人員需要保證振型個數(shù)和樓層之間呈現(xiàn)出正比例的關(guān)系，因此，在高層建筑設(shè)計的過程中需要對振型個數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。通常而言，高層建筑層數(shù)比較高，抗震性能則較差。對鋼筋混凝土剪力墻進(jìn)行布置的過程中，要切實保障整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性，同時建筑和建筑之間不能相互連接成為一個整體，這樣的做法主要是避免建筑工程項目結(jié)構(gòu)一旦受到損害就出現(xiàn)連續(xù)坍塌的問題，要切實保障中震可修、小震不壞、大震不倒。

6.2 耐久設(shè)計

針對高層建筑開展設(shè)計工作的過程中，為了有效避免建筑工程項目實施過程中出現(xiàn)難點(diǎn)問題，應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計允許的情況之下適量減少鋼筋的用量。同時，應(yīng)當(dāng)避免過度使用高強(qiáng)度混凝土材料，混凝土結(jié)構(gòu)不僅在力學(xué)性能上和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相似，而且因混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度相比于常用混凝土抗壓強(qiáng)度要大許多，凍融循環(huán)以及抵御沖擊荷載的能力也會有所強(qiáng)化。對于當(dāng)前的高層建筑而言，耐久性材料不僅需要各項指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，而且需要相關(guān)的工作人員充分考慮材料成本和材料重量等各方面的因素。尤其是當(dāng)前設(shè)計單位需要加強(qiáng)現(xiàn)場勘測工作，對于現(xiàn)場水文情況、地質(zhì)情況和荷載情況，各方面的數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行全面收集。同時，重視現(xiàn)場地下土層的問題，切忌粗略勘察，而是需要仔細(xì)勘察，充分了解現(xiàn)場土層荷載極限，結(jié)合現(xiàn)實狀況對耐久性材料進(jìn)行嚴(yán)格控制。在針對混凝土結(jié)構(gòu)開展施工工作的過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)嚴(yán)格按照施工規(guī)范和施工標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)步驟執(zhí)行操作，在鋼筋布置過程中，需要結(jié)合施工圖所標(biāo)志型號進(jìn)行鋼筋籠綁扎工作，同時，在攪拌和澆筑混凝土過程中，要保障攪拌的均勻性以及混凝土構(gòu)件符合力學(xué)性能要求[5]。

6.3 地下設(shè)計

在高層建筑建設(shè)過程中，需要切實考慮好地下結(jié)構(gòu)問題。地下結(jié)構(gòu)屬于高層建筑設(shè)計過程中需要引起高度重視的一個部分，直接關(guān)系到建筑項目整體性能。在開展地下結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合地下水文情況和地質(zhì)情況選擇合適地質(zhì)類型。目前中國高層建筑在建設(shè)過程中，通常采用箱形基礎(chǔ)。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，加強(qiáng)對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的掌握，深入貫徹并理解這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，形成遵循嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的習(xí)慣，提升鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量[1]。現(xiàn)階段，在鋼結(jié)構(gòu)計算和繪圖過程中，設(shè)計人員往往會借助電腦進(jìn)行，不注重自身實踐能力的提升。因此，設(shè)計人員需要做好鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的各項工作，還要重視鋼材、連接材料、焊接材料、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等，合理地選擇材料，以滿足相關(guān)規(guī)范和質(zhì)量要求。

6.4 剪力墻設(shè)計

高層建筑建設(shè)工作中應(yīng)當(dāng)采取有力的措施切實減少施工當(dāng)中的難點(diǎn)問題。建筑內(nèi)部布置的過程當(dāng)中，剪力墻是不可忽視的重要構(gòu)件，剪力墻的主要作用促使墻體由彈性砌體轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂云鲶w，可以起到抵御風(fēng)荷載的良好作用。工作人員設(shè)計剪力墻的過程當(dāng)中，需要充分考慮剪力墻布置過程當(dāng)中的管線情況。另外，大多數(shù)高層建筑一般是采用短肢剪力墻，在布置剪力墻個數(shù)時，要切實保障數(shù)量恰到好處，不可過多也不可過少，過多會導(dǎo)致今后維護(hù)工作不方便，同時導(dǎo)致資源和成本的浪費(fèi)，過少則難以達(dá)到設(shè)計相關(guān)要求[6]。

7 結(jié)語

綜上所述，國家越來越重視高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與混凝土結(jié)構(gòu)管理工作。在高層混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須要根據(jù)實際的情況選擇合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了進(jìn)一步的分析高層建筑的建筑結(jié)構(gòu)特征，了解高層建筑的建設(shè)中出現(xiàn)的設(shè)計問題，保證高層建筑的水平，相關(guān)的部門必須要根據(jù)實際情況將高層建筑的實際剪力墻設(shè)計和溫度變形等技術(shù)加強(qiáng)并創(chuàng)新，確保施工質(zhì)量。