高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新與規(guī)范發(fā)展

唐 可丁 飛(.中國電子工程設(shè)計院湖北分公司 湖北 武漢 430000.武漢供銷集團(tuán)置業(yè)有限公司 湖北 武漢 430000)

前言

近些年,城市化進(jìn)程不斷加快,城市人口快速增長,高層建筑的需求與日俱增。高層建筑可以節(jié)約用地,滿足人的多樣化需求,但高層建筑如何科學(xué)合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高高層建筑的使用質(zhì)量,這一問題得到了越來越多的關(guān)注。此外,高層建筑的類型和功能越來越復(fù)雜,建造體系和特點越來越多樣化,但由于高層建筑同時具有高豎向荷載和軟結(jié)構(gòu)的特點,其結(jié)構(gòu)設(shè)計非常復(fù)雜,設(shè)計難度非常大,從事這項工作需要遵從“適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀”的原則,還需要很強(qiáng)的專業(yè)技能和崇高的職業(yè)道德。本文就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題進(jìn)行研究,提出相關(guān)的應(yīng)對策略,以供參考。

1 高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

1.1 框架結(jié)構(gòu)體系

從結(jié)構(gòu)體系上看,由于框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活,空間大,能適應(yīng)較多功能的需要,因此成為高層建筑早期的主要結(jié)構(gòu)形式。但是,框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小,在一般節(jié)點連接情況下,當(dāng)承受側(cè)向的風(fēng)力或地震作用時,將會有較大的變形,因此限制了這種結(jié)構(gòu)形式的建造高度和層數(shù)。

1.2 剪力墻體系

為了滿足更高層數(shù)的要求,結(jié)合住宅、公寓和賓館對單開間的需求,出現(xiàn)了較高層數(shù)的剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的側(cè)向剛度和規(guī)整的平面布置,按照功能要求,設(shè)置自下而上的現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻,對抵抗側(cè)向風(fēng)力和地震作用是十分有利的,因此,它允許建造的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于框架結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)的不足之處在于,平面布置的靈活性較差,使用上也受到一定限制。因此,它的適用范圍較小,僅適用于住宅、公寓和賓館等建筑。目前全國各地的大量高層住宅建筑,絕大多數(shù)均采用剪力墻結(jié)構(gòu)。

1.3 筒體體系

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。筒體是一種空間受力構(gòu)件,分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體,空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。筒體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度,各構(gòu)件受力比較合理,抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng),往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。因此,在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,不僅要保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)抗推剛度,還需要將高層建筑的側(cè)移數(shù)值控制在規(guī)定的安全區(qū)域內(nèi),這就要求設(shè)計人員必須綜合考慮建筑材料的應(yīng)用、新型建筑形式與結(jié)構(gòu)體系的研究,確保建筑結(jié)構(gòu)在受到水平荷載時不會發(fā)生側(cè)移過渡,保證居民的居住舒適度與安全度。

1.4 框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系

建筑功能要求有較大的靈活性,但同時又能滿足風(fēng)和地震作用的考驗,取框架和剪力墻結(jié)構(gòu)兩者之長,形成框架一剪力墻結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)具有布置靈活的優(yōu)點,而剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)力能力,結(jié)合后的結(jié)構(gòu)體系可滿足一般建筑功能要求,在適當(dāng)位置設(shè)置一定數(shù)量的剪力墻,既是建筑布置需要,又是結(jié)構(gòu)抗側(cè)力需要。因此,框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系的適用范圍和適應(yīng)的高度較寬,是一種較好的結(jié)構(gòu)體系,已廣泛應(yīng)用。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點及原則

2.1 設(shè)計特征

2.1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)的垂直負(fù)荷

高層建筑結(jié)構(gòu)所受垂直負(fù)荷影響多存在于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系中。對于非高層建筑,其軸向力對建筑本身影響較小,同時剪切力也可忽略不計,只需考慮建筑自重對支撐墻的彎矩作用即可。高層建筑在建筑高度、建筑樓層上都遠(yuǎn)高于低層建筑,因此高層建筑自重大,其垂直方向負(fù)荷也大,軸向變形受建筑高度影響大,彎矩作用明顯。對于框架體系或者框架-剪力墻建筑結(jié)構(gòu)體系而言,當(dāng)樓層建筑高度超過一定值的時候,軸線壓應(yīng)力對框架中柱的影響超過對框架邊柱的影響,中柱軸向變形明顯,造成的直接后果就是中柱下沉,進(jìn)而引發(fā)建筑橫梁中間的支座處的負(fù)彎矩值縮減,而橫梁兩側(cè)的負(fù)彎矩值則會增大。此外,預(yù)制建筑構(gòu)件的下料長度同樣取決于建筑橫梁等構(gòu)件的軸向變形大小,而軸向變形還會對建筑構(gòu)件的抗剪力與側(cè)移能力造成破壞,帶來安全隱患。

2.1.2 高層建筑結(jié)構(gòu)的水平負(fù)荷

一方面,因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值,僅與樓房高度的一次方成正比;而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩,以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力,是與樓房高度的兩次方成正比。另一方面,對某一定高度樓房來說,豎向荷載大體上是定值,而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用,其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。

2.1.3 高層建筑的側(cè)移能力

除了對高層建筑結(jié)構(gòu)水平荷載與垂直荷載能力進(jìn)行分析研究之外,還應(yīng)當(dāng)對其結(jié)構(gòu)側(cè)移能力進(jìn)行控制與承載的計算分析。建筑高度與樓層數(shù)的增加,會引起建筑結(jié)構(gòu)組成構(gòu)件的側(cè)向變形,其側(cè)向變形增加速度約為建筑高度的四次方倍。建筑結(jié)構(gòu)尤其是豎向構(gòu)件,在發(fā)生結(jié)構(gòu)側(cè)移時將會產(chǎn)生附加內(nèi)力,導(dǎo)致建筑重心改變,當(dāng)側(cè)移數(shù)值超過建筑結(jié)構(gòu)側(cè)移極限時,結(jié)構(gòu)就會變形甚至斷裂,對室內(nèi)居住人員,會引起其恐慌,對建筑內(nèi)飾則會造成損壞或者室內(nèi)電氣設(shè)備、管道開裂,嚴(yán)重時會致使建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大裂縫,最終導(dǎo)致建筑坍塌。

2.2 設(shè)計原則

高層建筑往往具有不同的功能,在設(shè)計時,要注意結(jié)構(gòu)和功能的協(xié)調(diào),既要滿足使用要求,又要具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。在住宅建筑中,它們的基本功能是居住,所以要先滿足住房需求,然后再考慮供暖以及電源需求等等。高層建筑體量比較大,所以外部環(huán)境對高層建筑的影響比較大,比如B.地形、地基承載力等都有很大的限制,所以在規(guī)劃設(shè)計高層建筑的時候,首先要考察當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境,充分了解相關(guān)信息。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)劃會更加合理,施工中就不會出現(xiàn)設(shè)計無法實施的問題。地震等因素對高層建筑也會產(chǎn)生重大影響,對人的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此,建筑結(jié)構(gòu)需要具備足夠的延展性。在選擇建筑材料的時候,我們要考慮到這方面的需求,為了提高建筑的延展性,尤其是在比較復(fù)雜的建筑中,不僅要滿足功能需求,還要滿足延展性的需求。此外,在設(shè)計時還要遵守靈活性原則,要認(rèn)識到小結(jié)構(gòu)設(shè)計是一成不變的,應(yīng)該隨時適應(yīng)實際情況。高層建筑具有建筑體量大、設(shè)計連接點多的特點,因此工程師必須始終遵循“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉”的原則。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題

對于高層結(jié)構(gòu)的有效設(shè)計,相應(yīng)的高度設(shè)計無疑代表了一個核心方面和最基本的設(shè)計目標(biāo)。如果高層結(jié)構(gòu)高度設(shè)計有問題,就會影響高層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,埋下安全隱患。建筑物應(yīng)用的有效性和經(jīng)濟(jì)性甚至?xí)Ω邔咏ㄖ陌踩煽啃詷?gòu)成更大的威脅。此類高層建筑的高度設(shè)計問題主要是由于相應(yīng)的規(guī)劃人員沒有更清晰準(zhǔn)確地把握高層建筑的基本設(shè)計要求,以及對相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的理解不明確不規(guī)范,最終導(dǎo)致設(shè)計的建筑不能投入使用,甚至還可能會違反國家建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。一般來說,對于結(jié)構(gòu)設(shè)計中的結(jié)構(gòu)框架,這是一個重要的點沒有對于結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行良好的設(shè)計,也就無法使高層建筑的結(jié)構(gòu)變得安全穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)框架的問題主要表現(xiàn)在對于特定框架的加固問題上,主要包括框架柱的加固和框架梁的加固。但是由于這些框架在結(jié)構(gòu)規(guī)劃中占據(jù)了很重要的地位,并且結(jié)構(gòu)規(guī)劃中的工程量巨大,一些規(guī)劃人員在進(jìn)行加固程度尺寸標(biāo)注時,往往會忽略了建筑物的具體情況,沒有結(jié)合具體情況的規(guī)劃設(shè)計,無視相關(guān)規(guī)定和要求,僅憑主觀經(jīng)驗進(jìn)行尺寸標(biāo)注,這種做法是非常不貼合實際的。建筑的諸多參數(shù),例如地下室外墻的厚度和水密性、所用混凝土的強(qiáng)度等級參數(shù)都必須結(jié)合建筑場地的實際土壤條件、地下水位、建筑上部結(jié)構(gòu)的最大承載能力等參數(shù)和然后得出結(jié)論。不能只依據(jù)理論值,不結(jié)合具體參數(shù)來設(shè)計建筑,建筑的各個方面都要參與到整體布局當(dāng)中去,不能因為過往經(jīng)驗就確定新的建筑設(shè)計師應(yīng)當(dāng)要做的設(shè)計和安排。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的措施

4.1 加強(qiáng)機(jī)構(gòu)控制

在高層框剪結(jié)構(gòu)施工及使用期間,需確保剪力墻的數(shù)量、體積與剛度三者成正比關(guān)系,建筑結(jié)構(gòu)中布置的剪力墻數(shù)量越多,剪力墻的體積與剛度就越大,便可能對框剪結(jié)構(gòu)的承載性能造成影響。因此,在高層框架剪力墻抗震設(shè)計方案中采取機(jī)構(gòu)控制設(shè)計措施,根據(jù)工程實際情況推算出正比例公式,在框剪結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)部位安裝若干“塑性鉸”裝置,以使高層建筑在遭受地震能量沖擊時,在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中形成耗能機(jī)構(gòu)并持續(xù)吸收、損耗地震能量,以改善高層框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4.2 應(yīng)用計算圖

從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的角度來看,利用計算圖可以有效保證設(shè)計的質(zhì)量和精度,減少設(shè)計誤差的發(fā)生。如果存在設(shè)計錯誤,如加固錯誤,會造成一系列問題,影響建筑施工的質(zhì)量和效益?；诖?在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,利用計算圖綜合分析各種因素,做好整體控制。需要注意的是:根據(jù)實際需求,選擇合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算軟件,輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計操作的開展,保證設(shè)計方案參數(shù)計算結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性,提高結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的質(zhì)量和效率。

4.3 加強(qiáng)對消防結(jié)構(gòu)的設(shè)計

(1)合理設(shè)計防火間距。設(shè)計人員需遵循相關(guān)規(guī)定準(zhǔn)確測量建筑物間的實際距離。需注意的是,相鄰兩建筑間的最佳防火間距應(yīng)按建筑外墻間的最小距離進(jìn)行計算,若外墻包含凸出的易燃構(gòu)件,應(yīng)從該構(gòu)件外緣算起。(2)必須設(shè)計安全疏散通道。通常情況下,需要盡可能多地設(shè)計幾條便于疏散的安全通道。為了加速煙霧擴(kuò)散,安全疏散通道中必須設(shè)計防煙區(qū)。因此,設(shè)計人員可以采取分割式設(shè)計,以有效控制火勢與煙霧的蔓延速度。

4.4 提高建筑抗風(fēng)荷載作用的能力

(1)優(yōu)化基礎(chǔ)。只有增強(qiáng)高層建筑基礎(chǔ)部分的穩(wěn)定性,才能保證高層建筑上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。因此,明確混凝土的級配標(biāo)準(zhǔn)是高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計中最基本的工作,應(yīng)盡可能購買高級配的砂石,增加基礎(chǔ)持力層的厚度,加設(shè)抗拔的錨桿構(gòu)件,加強(qiáng)基礎(chǔ)的牢固性。(2)調(diào)整建筑的輪廓設(shè)計、投影面積和高度,以改變區(qū)域建筑布局,削弱風(fēng)荷載對建筑的影響。

4.5 調(diào)整優(yōu)化框架柱

在高層建筑中,在結(jié)構(gòu)體系保持不變的情況下需要保持一定截面的框架剪力墻角柱、邊柱,以提升結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,但過度減小柱截面會導(dǎo)致工程成本大幅增加,并影響建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能,因此需要在原結(jié)構(gòu)設(shè)計上以適當(dāng)縮小邊柱、角柱凸出部位截面面積為主,通過增加型鋼、提高混凝土強(qiáng)度和改變柱截面尺寸等方式,實現(xiàn)框架柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,即在不改變原結(jié)構(gòu)體系的前提下仍采用框架剪力墻柱結(jié)構(gòu),以保證框架二道防線發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

5 高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計實例分析

5.1 結(jié)構(gòu)選型和布置

本工程建筑平面復(fù)雜,保證了塔樓的形狀、平面和剛度相同,從而降低了耦聯(lián)振動。塔與塔之間設(shè)計了喇叭形布局,設(shè)計的連接體轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土梁作為連接體的支撐。通過設(shè)計計算,整個型鋼混凝土梁的最大截面為900mm3000mm,增加了施工難度。出于安全和經(jīng)濟(jì)的考慮,建筑物的主體結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計選用剛性連接方式。連接位置與主梁,相連,選擇每層混凝土梁。梁的尺寸設(shè)計為500mm1800mm,以保證連接處的剛度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。由于連體結(jié)構(gòu)振動模態(tài)豐富,扭轉(zhuǎn)模態(tài)與平移模態(tài)耦合,采用耦聯(lián)法計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),并基于雙向地震的影響進(jìn)行相應(yīng)的控制。由于連接位置非常復(fù)雜,所以采用彈性樓板進(jìn)行計算。此外,連接結(jié)構(gòu)的兩個塔樓形狀相似,因此在選擇風(fēng)荷載值時,考慮相鄰建筑之間的相互影響,乘以形狀系數(shù)和干擾系數(shù)。通過對結(jié)果的分析,該建筑的自振周期在合理范圍內(nèi),能夠滿足規(guī)范要求。此外,在地震影響下,最大層間位移也能滿足規(guī)范要求。

5.2 連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于塔的連接位置高度約為50m,在設(shè)計連接結(jié)構(gòu)時應(yīng)最大限度地保證連接結(jié)構(gòu)位置的施工安全。選擇在48米處設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)作為施工平臺。由于連接的梁板本身重量較重,要想保證施工作業(yè)的安全和經(jīng)濟(jì)效益,就要選擇混凝土澆筑和振搗的作業(yè)方式,然后減小自重范圍,用梁來承受相應(yīng)的荷載。為了滿足施工方案的基本要求,對連接器進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化。根據(jù)施工順序,計算混凝土澆筑內(nèi)力,選擇下接頭的梁板作為上接頭的操作平臺,承擔(dān)施工荷載,進(jìn)行配筋計算。經(jīng)計算,部分梁的配筋通過施工控制,達(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)束語

相比其他建筑,高層建筑結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,設(shè)計人員在設(shè)計過程中應(yīng)更加全面地考慮各方面的影響因素,充分了解高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特征,遵循高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則,善于發(fā)現(xiàn)并采取有效措施解決問題,防止出現(xiàn)質(zhì)量或安全問題。高層建筑的安全性是重中之重,所以,設(shè)計人員不僅需要提高本身的專業(yè)能力,還應(yīng)不斷積累經(jīng)驗,進(jìn)行創(chuàng)新突破,從而推進(jìn)我國建筑行業(yè)的長期、穩(wěn)定發(fā)展。