高層建筑結構設計創新與規范發展

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

前言

近些年,城市化進程不斷加快,城市人口快速增長,高層建筑的需求與日俱增。高層建筑可以節約用地,滿足人的多樣化需求,但高層建筑如何科學合理地進行結構設計,提高高層建筑的使用質量,這一問題得到了越來越多的關注。此外,高層建筑的類型和功能越來越復雜,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構的特點,其結構設計非常復雜,設計難度非常大,從事這項工作需要遵從“適用、安全、經濟、美觀”的原則,還需要很強的專業技能和崇高的職業道德。本文就高層建筑結構設計中存在的問題進行研究,提出相關的應對策略,以供參考。

1 高層建筑的結構體系

1.1 框架結構體系

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

1.2 剪力墻體系

為了滿足更高層數的要求,結合住宅、公寓和賓館對單開間的需求,出現了較高層數的剪力墻結構。剪力墻結構具有良好的側向剛度和規整的平面布置,按照功能要求,設置自下而上的現澆鋼筋混凝土剪力墻,對抵抗側向風力和地震作用是十分有利的,因此,它允許建造的高度遠遠高于框架結構。剪力墻結構的不足之處在于,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,絕大多數均采用剪力墻結構。

1.3 筒體體系

凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系,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構單體,空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。筒體體系具有很大的剛度和強度,各構件受力比較合理,抗風、抗震能力很強,往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。因此,在高層建筑結構設計中,不僅要保證結構的強度與結構抗推剛度,還需要將高層建筑的側移數值控制在規定的安全區域內,這就要求設計人員必須綜合考慮建筑材料的應用、新型建筑形式與結構體系的研究,確保建筑結構在受到水平荷載時不會發生側移過渡,保證居民的居住舒適度與安全度。

1.4 框架一剪力墻結構體系

建筑功能要求有較大的靈活性,但同時又能滿足風和地震作用的考驗,取框架和剪力墻結構兩者之長,形成框架一剪力墻結構。框架結構具有布置靈活的優點,而剪力墻結構具有良好的抗側力能力,結合后的結構體系可滿足一般建筑功能要求,在適當位置設置一定數量的剪力墻,既是建筑布置需要,又是結構抗側力需要。因此,框架一剪力墻結構體系的適用范圍和適應的高度較寬,是一種較好的結構體系,已廣泛應用。

2 高層建筑結構的設計特點及原則

2.1 設計特征

2.1.1 高層建筑結構的垂直負荷

高層建筑結構所受垂直負荷影響多存在于框架-剪力墻結構體系中。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、建筑樓層上都遠高于低層建筑,因此高層建筑自重大,其垂直方向負荷也大,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-剪力墻建筑結構體系而言,當樓層建筑高度超過一定值的時候,軸線壓應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,進而引發建筑橫梁中間的支座處的負彎矩值縮減,而橫梁兩側的負彎矩值則會增大。此外,預制建筑構件的下料長度同樣取決于建筑橫梁等構件的軸向變形大小,而軸向變形還會對建筑構件的抗剪力與側移能力造成破壞,帶來安全隱患。

2.1.2 高層建筑結構的水平負荷

一方面,因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值,僅與樓房高度的一次方成正比;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩,以及由此在豎構件中引起的軸力,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荷載和地震作用,其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

2.1.3 高層建筑的側移能力

除了對高層建筑結構水平荷載與垂直荷載能力進行分析研究之外,還應當對其結構側移能力進行控制與承載的計算分析。建筑高度與樓層數的增加,會引起建筑結構組成構件的側向變形,其側向變形增加速度約為建筑高度的四次方倍。建筑結構尤其是豎向構件,在發生結構側移時將會產生附加內力,導致建筑重心改變,當側移數值超過建筑結構側移極限時,結構就會變形甚至斷裂,對室內居住人員,會引起其恐慌,對建筑內飾則會造成損壞或者室內電氣設備、管道開裂,嚴重時會致使建筑結構出現大裂縫,最終導致建筑坍塌。

2.2 設計原則

高層建筑往往具有不同的功能,在設計時,要注意結構和功能的協調,既要滿足使用要求,又要具有良好的經濟效益。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,所以在規劃設計高層建筑的時候,首先要考察當地的環境,充分了解相關信息。在此基礎上進行規劃會更加合理,施工中就不會出現設計無法實施的問題。地震等因素對高層建筑也會產生重大影響,對人的生命財產安全構成嚴重威脅。因此,建筑結構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,在設計時還要遵守靈活性原則,要認識到小結構設計是一成不變的,應該隨時適應實際情況。高層建筑具有建筑體量大、設計連接點多的特點,因此工程師必須始終遵循“強剪弱彎、強壓弱拉”的原則。

3 高層建筑結構設計中存在的問題

對于高層結構的有效設計,相應的高度設計無疑代表了一個核心方面和最基本的設計目標。如果高層結構高度設計有問題,就會影響高層結構的穩定性,埋下安全隱患。建筑物應用的有效性和經濟性甚至會對高層建筑的安全可靠性構成更大的威脅。此類高層建筑的高度設計問題主要是由于相應的規劃人員沒有更清晰準確地把握高層建筑的基本設計要求,以及對相關行業標準的理解不明確不規范,最終導致設計的建筑不能投入使用,甚至還可能會違反國家建筑行業標準的規定。一般來說,對于結構設計中的結構框架,這是一個重要的點沒有對于結構框架進行良好的設計,也就無法使高層建筑的結構變得安全穩定。結構框架的問題主要表現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構規劃中占據了很重要的地位,并且結構規劃中的工程量巨大,一些規劃人員在進行加固程度尺寸標注時,往往會忽略了建筑物的具體情況,沒有結合具體情況的規劃設計,無視相關規定和要求,僅憑主觀經驗進行尺寸標注,這種做法是非常不貼合實際的。建筑的諸多參數,例如地下室外墻的厚度和水密性、所用混凝土的強度等級參數都必須結合建筑場地的實際土壤條件、地下水位、建筑上部結構的最大承載能力等參數和然后得出結論。不能只依據理論值,不結合具體參數來設計建筑,建筑的各個方面都要參與到整體布局當中去,不能因為過往經驗就確定新的建筑設計師應當要做的設計和安排。

4 高層建筑結構設計優化的措施

4.1 加強機構控制

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

4.2 應用計算圖

從結構方案設計的角度來看,利用計算圖可以有效保證設計的質量和精度,減少設計誤差的發生。如果存在設計錯誤,如加固錯誤,會造成一系列問題,影響建筑施工的質量和效益。基于此,在進行結構設計時,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:根據實際需求,選擇合適的結構設計計算軟件,輔助結構設計操作的開展,保證設計方案參數計算結果的真實性和準確性,提高結構設計工作的質量和效率。

4.3 加強對消防結構的設計

(1)合理設計防火間距。設計人員需遵循相關規定準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按建筑外墻間的最小距離進行計算,若外墻包含凸出的易燃構件,應從該構件外緣算起。(2)必須設計安全疏散通道。通常情況下,需要盡可能多地設計幾條便于疏散的安全通道。為了加速煙霧擴散,安全疏散通道中必須設計防煙區。因此,設計人員可以采取分割式設計,以有效控制火勢與煙霧的蔓延速度。

4.4 提高建筑抗風荷載作用的能力

(1)優化基礎。只有增強高層建筑基礎部分的穩定性,才能保證高層建筑上部結構的穩固性。因此,明確混凝土的級配標準是高層建筑基礎設計中最基本的工作,應盡可能購買高級配的砂石,增加基礎持力層的厚度,加設抗拔的錨桿構件,加強基礎的牢固性。(2)調整建筑的輪廓設計、投影面積和高度,以改變區域建筑布局,削弱風荷載對建筑的影響。

4.5 調整優化框架柱

在高層建筑中,在結構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,以提升結構的安全性和經濟性,但過度減小柱截面會導致工程成本大幅增加,并影響建筑結構的抗震性能,因此需要在原結構設計上以適當縮小邊柱、角柱凸出部位截面面積為主,通過增加型鋼、提高混凝土強度和改變柱截面尺寸等方式,實現框架柱結構的優化,即在不改變原結構體系的前提下仍采用框架剪力墻柱結構,以保證框架二道防線發揮其應有的作用。

5 高層建筑結構的設計實例分析

5.1 結構選型和布置

本工程建筑平面復雜,保證了塔樓的形狀、平面和剛度相同,從而降低了耦聯振動。塔與塔之間設計了喇叭形布局,設計的連接體轉換結構采用型鋼混凝土梁作為連接體的支撐。通過設計計算,整個型鋼混凝土梁的最大截面為900mm3000mm,增加了施工難度。出于安全和經濟的考慮,建筑物的主體結構和連接結構的設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。梁的尺寸設計為500mm1800mm,以保證連接處的剛度達到標準。由于連體結構振動模態豐富,扭轉模態與平移模態耦合,采用耦聯法計算結構的扭轉效應,并基于雙向地震的影響進行相應的控制。由于連接位置非常復雜,所以采用彈性樓板進行計算。此外,連接結構的兩個塔樓形狀相似,因此在選擇風荷載值時,考慮相鄰建筑之間的相互影響,乘以形狀系數和干擾系數。通過對結果的分析,該建筑的自振周期在合理范圍內,能夠滿足規范要求。此外,在地震影響下,最大層間位移也能滿足規范要求。

5.2 連接器的結構設計

由于塔的連接位置高度約為50m,在設計連接結構時應最大限度地保證連接結構位置的施工安全。選擇在48米處設置鋼結構作為施工平臺。由于連接的梁板本身重量較重,要想保證施工作業的安全和經濟效益,就要選擇混凝土澆筑和振搗的作業方式,然后減小自重范圍,用梁來承受相應的荷載。為了滿足施工方案的基本要求,對連接器進行了設計和優化。根據施工順序,計算混凝土澆筑內力,選擇下接頭的梁板作為上接頭的操作平臺,承擔施工荷載,進行配筋計算。經計算,部分梁的配筋通過施工控制,達到施工標準。

結束語

相比其他建筑,高層建筑結構更為復雜,設計人員在設計過程中應更加全面地考慮各方面的影響因素,充分了解高層建筑結構設計特征,遵循高層建筑結構設計原則,善于發現并采取有效措施解決問題,防止出現質量或安全問題。高層建筑的安全性是重中之重,所以,設計人員不僅需要提高本身的專業能力,還應不斷積累經驗,進行創新突破,從而推進我國建筑行業的長期、穩定發展。