劉建偉
(山西工程職業(yè)學(xué)院,山西 太原 030009)
高層建筑物的結(jié)構(gòu)形式是極為多樣的,從材料來(lái)看,其可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較多的優(yōu)勢(shì),例如成本低、材料來(lái)源廣泛、便于就地取材等,對(duì)于各種復(fù)雜的建筑形式都能夠較好地澆筑完成,在對(duì)高層建筑物進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)后,還能夠有效地節(jié)省鋼材用量,同時(shí)具有較好的抗震性能和抵抗風(fēng)荷載的能力。另外,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系也較為豐富,能夠有效構(gòu)成多種混合結(jié)構(gòu)體系。不過(guò)其也存在著一些缺點(diǎn),例如構(gòu)件的截面較大,減少了建筑的凈面積,這些缺點(diǎn)在實(shí)際的高層建筑中需要多加注意。正因?yàn)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)具有較多優(yōu)點(diǎn),其在高層建筑物建設(shè)中是一種首選的建筑結(jié)構(gòu)形式。而對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)這一結(jié)構(gòu)形式,其也有著較多的優(yōu)點(diǎn),例如輕質(zhì)高強(qiáng),具有較好的延伸性以及抗震性能。同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)還能夠有效適應(yīng)建筑中大的跨度及空間方面的需求,在我國(guó)大型的公共建筑中較為常見(jiàn)。在鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)中,充分發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),其在側(cè)向剛度方面也比鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng),而結(jié)構(gòu)方面的造價(jià)則在兩種結(jié)構(gòu)方式之間,在施工建設(shè)速度上是快于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的,在結(jié)構(gòu)面積上比鋼筋混凝土小。例如,在高層建筑中采用鋼管混凝土柱,能夠充分發(fā)揮鋼材的抗拉強(qiáng)度和混凝土的抗壓強(qiáng)度,使得柱的承載力得到了顯著提高,延性性能得到顯著改善[1]。
在受力特點(diǎn)方面,可以將高層建筑看作一端固定在地基中的豎向懸臂構(gòu)件,承受水平和豎向荷載。在高層建筑中可以將建筑柱中的軸向力和建筑層數(shù)看做一個(gè)線性關(guān)系。高層建筑物中的水平力呈現(xiàn)出來(lái)的是倒三角形的分布形態(tài),而且在高層建筑物水平力的作用下,其結(jié)構(gòu)底部位置中的彎矩和高度之間呈現(xiàn)一個(gè)正比平方的關(guān)系,并且高層建筑物中頂點(diǎn)的位移和高度之間形成一個(gè)四次方正比關(guān)系。通過(guò)這些情況可以明確水平荷載和側(cè)移在高層建筑物中的分析及設(shè)計(jì)中占據(jù)著的重要位置,而且其往往是極為關(guān)鍵的控制元素[2]。
框架結(jié)構(gòu)本身是一種柔性結(jié)構(gòu)方式,在劇烈的震動(dòng)中,其結(jié)構(gòu)以及樓層間的位移情況都極大,進(jìn)而導(dǎo)致震動(dòng)后受損嚴(yán)重,這一結(jié)構(gòu)會(huì)主要被運(yùn)用在普通、樓層數(shù)較少的建筑物中,同時(shí)還需確認(rèn)使用此類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)的地區(qū)不會(huì)出現(xiàn)地震等地質(zhì)災(zāi)害。在框架結(jié)構(gòu)中其整體性的變形主要為剪切變形,因?yàn)槠湮灰圃诘撞课恢米顬閲?yán)重。另外在建筑物框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)水平力的作用中,建筑物的桿、梁以及柱等的彎矩圖呈現(xiàn)出了一種直線樣式,其中,框架柱中的剛度對(duì)比于建筑物的梁來(lái)說(shuō)并沒(méi)有過(guò)大的差別,對(duì)此,建筑物柱中往往會(huì)存有一個(gè)反彎點(diǎn)。
在剪力墻結(jié)構(gòu)中,因?yàn)榧袅Ρ旧泶嬖谳^強(qiáng)的剛度,有著極好的抗側(cè)能力,空間的整體性能較好,被廣泛地運(yùn)用到了高層建筑物建設(shè)中。從整體變形這一角度來(lái)看,剪力墻的整體變形為彎曲型,其位移最大的部位在于結(jié)構(gòu)頂部。其墻肢剛度與建筑物梁相比更大,而且在墻肢彎矩圖中其幾乎不存在反彎點(diǎn)。另外,洞口的存在與否、大小、具體形狀以及位置等方面的差異也會(huì)對(duì)剪力墻的受力性能造成較大的影響。種類(lèi)不同的剪力墻,截面應(yīng)力分布也是不同的。對(duì)此,需要注意對(duì)截面的高厚比進(jìn)行有效地控制,當(dāng)墻肢中的高厚比較小時(shí),墻肢就會(huì)被過(guò)度地削弱,進(jìn)而出現(xiàn)反彎點(diǎn)。在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)中有著這樣的規(guī)定,當(dāng)高厚比小于等于4時(shí),墻肢的受力性能與柱的受力性能大致相同,這時(shí)就需要依據(jù)柱來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),而且還需保證高厚比大于8,以此杜絕短肢剪力墻現(xiàn)象的發(fā)生[3]。
在框剪結(jié)構(gòu)中,其主要是由框架與剪力墻組合而成的一種結(jié)構(gòu)體系,在這一結(jié)構(gòu)體系中,其既有剪力墻又有框架,這兩者間是由平面中剛度無(wú)限大的樓板進(jìn)行連接起來(lái)的,在水平力的作用下,兩者間的水平位移步調(diào)是一樣的,兩者將無(wú)法獨(dú)立進(jìn)行變形,當(dāng)刨除扭轉(zhuǎn)這一影響時(shí),應(yīng)當(dāng)確保在同一建筑層中兩者的水平位移步調(diào)是一致的。對(duì)此,在水平力的作用中,框剪結(jié)構(gòu)中的變形曲線主要展現(xiàn)出來(lái)的是一種反S形。在高層建筑下半部的樓層中,剪力墻能夠承擔(dān)起大部分的剪力作用。但是在高層建筑上半部的樓層中,框架結(jié)構(gòu)中存有大量的剪力。在框剪結(jié)構(gòu)中,其出現(xiàn)水平位移取決于高層建筑樓層間和樓層高度間的比較控制,并不是由頂點(diǎn)水平位移進(jìn)行控制的[4]。
核心筒結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗側(cè)剛度且受力方面也較為明確,更利于工作人員對(duì)其進(jìn)行分析。在高層建筑的核心筒設(shè)計(jì)中,核心筒附近總會(huì)布置一定量的柱子,進(jìn)而構(gòu)成框架核心筒。核心筒附近的柱子因受到豎向的荷載會(huì)使得樓蓋結(jié)構(gòu)中的跨度得以減少,不過(guò)柱子在側(cè)向力的承受方面顯現(xiàn)的效果較小,側(cè)向力的承受主要由核心筒擔(dān)任。在側(cè)向力的作用中,框架核心筒這一結(jié)構(gòu)體系的受力類(lèi)似于薄壁箱型結(jié)構(gòu),不過(guò)其也有自身特性。從材料力學(xué)這一方面來(lái)看,若側(cè)向力作用到箱型結(jié)構(gòu)體系上,箱型結(jié)構(gòu)中界面的正應(yīng)力會(huì)呈現(xiàn)出一種線性的分布狀態(tài),而且對(duì)應(yīng)的應(yīng)力圖形會(huì)在翼緣位置上形成一個(gè)矩形,而在腹板位置上則會(huì)形成兩個(gè)一壓一拉的三角形。但若側(cè)向力在框架核心筒結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生作用,會(huì)因?yàn)榧袅Ψ矫娲嬗袦蠖鴮?dǎo)致框架核心筒結(jié)構(gòu)的底部位置中的柱內(nèi)正應(yīng)力展現(xiàn)出一種曲線分布情況,其中角柱位置最大,在中部這一位置朝后會(huì)越來(lái)越小。在核心筒結(jié)構(gòu)中,側(cè)向力方面產(chǎn)生的剪力會(huì)由腹板承受。在核心筒中核心筒結(jié)構(gòu)體系中,其側(cè)向產(chǎn)生的剪力則會(huì)由外部核心筒中的腹板框架以及內(nèi)部核心筒中的腹板承受[5]。
在平面上若想要高層建筑物的結(jié)構(gòu)布置較為工整、簡(jiǎn)單以及對(duì)稱,那么可以使用方形、矩形以及圓形等有效應(yīng)對(duì)水平荷載,尤其是有效應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害的建筑平面。若建筑物的平面存有突出,那么就需要盡量縮短突出長(zhǎng)度,并在凹角處采用對(duì)應(yīng)的措施進(jìn)行強(qiáng)化,以此來(lái)保證建筑物的安全性及穩(wěn)定性。在高層建筑物結(jié)構(gòu)中,需要盡量促使其剛心、質(zhì)心和水平外力合力中的作用線重合,避免出現(xiàn)偏差,若存有偏差,否則會(huì)產(chǎn)生較多的不良影響,影響到整個(gè)高層建筑物的建設(shè)施工。高層建筑物結(jié)構(gòu)中的高寬比也需要進(jìn)行有效的控制,其不能超過(guò)對(duì)應(yīng)的限制數(shù)值。另外,需要依據(jù)豎向結(jié)構(gòu),促使建筑結(jié)構(gòu)中的剛度及質(zhì)量均勻排布,避免出現(xiàn)過(guò)大的偏差,而且還需有效避免出現(xiàn)夾層、錯(cuò)層以及抽柱等現(xiàn)象,否則會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)然,對(duì)應(yīng)的高層建筑施工設(shè)計(jì)工作人員還需對(duì)建筑中的變形縫進(jìn)行設(shè)計(jì),建筑施工工作人員也需依據(jù)對(duì)應(yīng)到的設(shè)計(jì)開(kāi)展施工工作[6]。
首先,在框架結(jié)構(gòu)體系中的柱網(wǎng)分布中。在同樣的情況下需要依據(jù)使用具體要求以建筑物的平面來(lái)確認(rèn)柱網(wǎng)的分布情況,在合理考慮建筑物的樓層高度后,方可對(duì)建筑物的梁以及柱截面的樣式及尺寸進(jìn)行確認(rèn)。另外,在高層建筑物的梁柱構(gòu)件中需將其以剛接方式進(jìn)行建模,通常這一類(lèi)型的柱網(wǎng)尺寸在6~8 m,在這一數(shù)值,不僅符合建筑需求,而且能夠有效地節(jié)省成本支出。一般情況中,柱網(wǎng)可以設(shè)置為橫向、縱向以及橫縱向混合的框架承重[7]。
其次,在高層建筑物的樓面及屋面層中。在高層建筑物的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中,需要有一個(gè)假定,樓面層在平面中的抗彎剛度應(yīng)當(dāng)為無(wú)限大,而這就需要樓面及屋面層在滿足豎向荷載作用力的設(shè)計(jì)之后能夠保有一定的剛度。
其次,在剪力墻結(jié)構(gòu)體系的平面設(shè)置中。在高層建筑物的剪力墻設(shè)置中,通常會(huì)采用多向或者雙向的形式進(jìn)行設(shè)置,可以設(shè)置為拉通對(duì)直以及縱橫交叉等形式,而像十字頭以及魚(yú)骨形的剪力墻樣式則不可設(shè)立。若高層建筑物中的剪力墻過(guò)長(zhǎng),那么就可以采用樓板將建筑物分成一個(gè)個(gè)的獨(dú)立墻段。在剪力墻的豎向設(shè)置中,需要促使剪力墻沿著豎向的位置進(jìn)行貫通,墻體的厚度也應(yīng)當(dāng)逐步對(duì)其進(jìn)行減小,同時(shí)還需避免剪力墻中出現(xiàn)剛度變化,以免應(yīng)力過(guò)度集中。在高層建筑物的剪力墻中,其門(mén)窗應(yīng)當(dāng)對(duì)齊,以此來(lái)形成較為明確的墻肢以及連梁,切記不可設(shè)置錯(cuò)開(kāi)的門(mén)窗,否則可能會(huì)導(dǎo)致墻肢中的剛度出現(xiàn)較大的差距[8]。
最后,在高層建筑物的框剪結(jié)構(gòu)體系中的平面設(shè)置中,在地震帶中,高層建筑物中的剪力墻應(yīng)當(dāng)順沿房屋中的縱向及橫向這兩個(gè)方向來(lái)進(jìn)行設(shè)立。通常情況中,應(yīng)當(dāng)將剪力墻在高層建筑物中的端部區(qū)域進(jìn)行對(duì)稱的設(shè)立,促使其分布在平面形狀變化位置以及恒載大的區(qū)域中。若剪力墻離端部越近,那么就能夠促使建筑物結(jié)構(gòu)整體的抗扭轉(zhuǎn)能力越得以增強(qiáng)。另外,需將剪力墻的位置設(shè)立在抗側(cè)剛度的中心,以促使其能夠與質(zhì)心更近,進(jìn)而使得發(fā)生地震后對(duì)建筑物的扭轉(zhuǎn)作用得以減小。在設(shè)立縱向的剪力墻時(shí),應(yīng)當(dāng)將其設(shè)立在建筑物結(jié)構(gòu)單元中的中間區(qū)域。若高層建筑物較長(zhǎng),剪力墻就不能設(shè)立在高層建筑物的兩端。若高層建筑物中的剪力墻墻肢截面過(guò)于寬大,那么就可以巧妙地運(yùn)用建筑物中的門(mén)窗口以及施工留下的洞口來(lái)讓其形成一種聯(lián)肢墻[9]。
在建設(shè)高層建筑物的過(guò)程中,需要選擇優(yōu)良的地段來(lái)開(kāi)展建設(shè)施工,避免因地面發(fā)生變形現(xiàn)象而影響到建筑物的安全性。在地震能量的輸入中,也需要盡量減少。為了能夠有效降低地震后對(duì)建筑物造成的反應(yīng),還需要提升高層建筑物結(jié)構(gòu)阻尼,并使用較強(qiáng)延伸性能的構(gòu)件。在高層建筑物中,優(yōu)良的建筑物體形設(shè)計(jì)也是非常重要的,簡(jiǎn)潔、平整、合適的高度、科學(xué)合理的高寬比以及合理的變形縫等在高層建筑物中都是極為重要的因素,只有做好了這些才能更好地保證高層建筑物的安全、質(zhì)量以及使用。另外,在高層建筑物中材料質(zhì)量也是一個(gè)極為重要的因素,只有建筑材料的質(zhì)量得到有效的保障,才能促使高層建筑物的質(zhì)量得到保證,使結(jié)構(gòu)的受力性能得以提升,進(jìn)而促使高層建筑物能夠積極地投入到使用中[10]。
在鋼筋混凝土建筑物中,其結(jié)構(gòu)受力這一因素是極為重要的,不同的高層建筑物結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)也不同,相關(guān)設(shè)計(jì)及施工人員需要依據(jù)具體建筑物結(jié)構(gòu)的特性來(lái)設(shè)計(jì)合理的施工方案,并依據(jù)具體的施工方案來(lái)開(kāi)展施工,以促使鋼筋混凝土建筑物的結(jié)構(gòu)受力在適宜范圍內(nèi)。
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