吳松松
摘要:目前,隨著社會(huì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,高層建筑和超高層建筑日漸增多,相比普通建筑,其在建筑結(jié)構(gòu)有著明顯的區(qū)別。本文首先闡述了復(fù)雜高層建筑的發(fā)展?fàn)顩r,其后對高層結(jié)構(gòu)基本規(guī)定與布置原則進(jìn)行了分析,最后對高層建筑結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索,希望能夠?qū)?fù)雜高層建筑的發(fā)展提供參考和建議。
關(guān)鍵詞:高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);關(guān)鍵技術(shù)
隨著城市化進(jìn)程的加快,城市用地日漸緊張,城市建筑物開始轉(zhuǎn)向高空發(fā)展,建筑物的增高和公眾審美的多樣化促使設(shè)計(jì)師不斷的創(chuàng)新和變化建筑形態(tài)。高層建筑的內(nèi)部空間和體形日漸復(fù)雜多變,越來越復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)給建筑設(shè)計(jì)師帶來了巨大的挑戰(zhàn)。建筑設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中不但要結(jié)合最新的材料、工藝和最先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù),而且還要與結(jié)構(gòu)工程師充分溝通交流,探求最為科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu),促使高層建筑結(jié)構(gòu)在理想的情況下又能切合實(shí)際情況。作者結(jié)合自身多年的工作經(jīng)驗(yàn)體會(huì),深入淺出的對復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析探討。
1.復(fù)雜高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀
1.1復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系、體型
在20世紀(jì)末,隨著施工技術(shù)的不斷創(chuàng)新進(jìn)步及很多高性能建筑材料的使用,高層建筑結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣化趨勢。例如:錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)等的出現(xiàn)和應(yīng)用。此外,隨著業(yè)主需求的多樣化,復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的建筑功能要求也日益增多。總之,在多功能、多用途的要求下,高層建筑立面體型和平面布置日益復(fù)雜。圓形、三角形等多樣式的結(jié)構(gòu)平面組合日漸出現(xiàn)在人們的視野里。豐富多變的高層建筑立面體型也層出不窮,高層建筑的剛度沿豎向發(fā)生突變。
1.2新技術(shù)和新材料的應(yīng)用
20世紀(jì)末。高性能的混凝土和高強(qiáng)度的鋼材憑借優(yōu)秀的性能在復(fù)雜高層建筑的施工建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用?;炷恋膹?qiáng)度等級逐漸向高等級發(fā)展,高耐火性、可焊性和韌性的鋼材應(yīng)用越來越廣泛。采用全鋼結(jié)構(gòu)、鋼混組合的高層建筑越來越多,這樣不但增強(qiáng)了建筑的安全性,而且還大大減輕了建筑結(jié)構(gòu)的重量。加速了高層建筑結(jié)構(gòu)的多樣化和復(fù)雜性發(fā)展。新技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用加之新材料的使用促使復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展更加迅速,反之,復(fù)雜高層建筑的快速發(fā)展也加速了新技術(shù)和新材料的應(yīng)用。
2.復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)基本規(guī)定與布置原則
高層建筑選擇結(jié)構(gòu)體系時(shí),不但要考慮建筑結(jié)構(gòu)的高度之外,還要充分考慮到建筑物的剖面形狀、平面和總體型以及當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)風(fēng)格。建筑設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)初步階段就應(yīng)進(jìn)行選擇。
2.1 復(fù)雜高層建筑總高度與高寬比
在選擇高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí),要充分考慮到各種因素,房屋高度和高寬比、施工現(xiàn)場條件、施工材料、施工場地類型以及抗震設(shè)防烈度等級和抗震類別等均要充分考慮。A、B級是鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)適用的高度,其中A等級比B等級高度低,相比A級,高層建筑結(jié)構(gòu)最大適度可適度放寬。但相應(yīng)的在構(gòu)造措施、結(jié)構(gòu)抗震等級和相關(guān)計(jì)算方面要更加嚴(yán)格,結(jié)構(gòu)高寬比要控制在5-6內(nèi)。對建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)剛度以及經(jīng)濟(jì)合理性和承載能力的綜合控制是高層建筑的高寬比的重要目的。
2.2復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)平面布置
為便于建筑工業(yè)化的發(fā)展,要盡量減少高層建筑的構(gòu)建類型、開間、進(jìn)深尺度。在布置結(jié)構(gòu)平面時(shí),不但做到明確受力、傳力直接、做到均勻?qū)ΨQ的情況,而且還要充分考減少扭轉(zhuǎn)的影響,便于抵抗豎向和水平的應(yīng)力作用。建筑平面在荷載作用下要做到規(guī)則簡單,可放寬風(fēng)荷載作用、對于那些不對稱的高層建筑結(jié)構(gòu)要充分考慮到受應(yīng)力扭轉(zhuǎn)帶來的不利影響。
2.3復(fù)雜高層 結(jié)構(gòu)豎向布置
布置結(jié)構(gòu)豎向時(shí),剛度要連續(xù)而均勻,剛度要避免出現(xiàn)突變的情況。改變豎向剛度的原因主要有以下兩個(gè)方面:1、突然改變剪力墻、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)框架和筒體等;2、建筑結(jié)構(gòu)的豎向體型發(fā)生改變。建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度和承載力在實(shí)際工程抗震時(shí)自下而上進(jìn)行遞減,通常情況下改變豎向分段混凝土強(qiáng)度以及構(gòu)建截面尺寸,這樣可以讓剛度自下而上遞減。
2.4 復(fù)雜高層抗震投計(jì)的基本原則
抗震能力是建筑物設(shè)計(jì)的必要考慮因素,特別是對復(fù)雜高層建筑。建筑設(shè)計(jì)抗震目的要做到“大震不倒、中震可修、小震不壞”。因此,復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要滿足以下幾個(gè)基本原則:1、場地選擇時(shí)要避開不利場地,盡可能選擇有利場地,確保有穩(wěn)定的地基;2、選擇科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)體系,不同的結(jié)構(gòu)體系的抗震能力有著明顯的差異,抗震能力較差的有純框架結(jié)構(gòu),而框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)不但有著性能,而且抗震能力較強(qiáng);3、結(jié)構(gòu)平面布置要做到對稱、簡單、規(guī)則,要盡量減少縮頸部位以及凹角;4、豎向體型盡量要做到筆直,不宜過多內(nèi)收,也盡量不要外挑,要做到均勻改變剛度,以免因?yàn)椴痪鶆虍a(chǎn)生的變形集中;5、復(fù)雜高層建筑中那些突出的樓頂為能夠很好的承受高振型產(chǎn)生的鞭梢效應(yīng)影響,其延性和承載力必須性能必須優(yōu)良,特殊情況下可以使用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu);6、為保證安全性和穩(wěn)定向,建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造和設(shè)計(jì)方面要做到多道設(shè)防。例如為保障框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)時(shí)采取強(qiáng)柱弱梁的方式,框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成連梁首先屈服,然后是墻肢,框架作為第二道防線;剪力墻結(jié)構(gòu)通過構(gòu)造措施保證連梁先屈服,并通過空間整體性形成多次超靜定等。
3.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用
當(dāng)前,在當(dāng)前工程界,因?yàn)槭芰γ黠@、抗側(cè)剛度、結(jié)構(gòu)自重比轉(zhuǎn)換梁小以及清楚的傳力途徑等優(yōu)點(diǎn),轉(zhuǎn)換桁架在復(fù)雜高層建筑中有著廣泛的應(yīng)用。此外,桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在大型管道等設(shè)備系統(tǒng)布置以及采光和通風(fēng)方面有著明顯的優(yōu)勢,轉(zhuǎn)換層的建筑空間可以充分利用,在保障建筑功能的情況有著優(yōu)異的建筑藝術(shù)效果。
當(dāng)采用空腹桁架、斜桿桁架或迭層桁架作轉(zhuǎn)換構(gòu)件時(shí),桁架下弦宜施加預(yù)應(yīng)力,形成預(yù)應(yīng)力混凝土桁架轉(zhuǎn)換構(gòu)件,以減小因桁架下弦軸向變形過大而引起桁架及帶桁架轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)在豎向荷載下次內(nèi)力的影響和提高轉(zhuǎn)換桁架的抗裂度和剛度。采用轉(zhuǎn)換桁架將框架一核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)的上部密柱轉(zhuǎn)換為下部稀柱時(shí),轉(zhuǎn)換桁架宜滿層設(shè)置,其斜桿的交點(diǎn) 宜為上部密柱的支點(diǎn)。當(dāng)桁架高度超過層高時(shí),轉(zhuǎn)換構(gòu)件宜采用迭層桁架。帶桁架轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須遵循以下原則:“強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層及其下部、弱化轉(zhuǎn)換層上部”;桁架轉(zhuǎn)換上部框架結(jié)構(gòu)按“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)邊柱弱中柱”的原則;桁架轉(zhuǎn)換按“強(qiáng)斜腹桿、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的原則。通常情況下,為了確保塑性鉸在梁端出現(xiàn),使柱比梁有更大的安全儲(chǔ)備,轉(zhuǎn)換桁架上部框架結(jié)構(gòu)按“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)邊柱弱中柱” 的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中上部結(jié)構(gòu)必須滿足軸壓比要求、抗剪要求及構(gòu)造要求,柱按普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),確定截面尺寸。特殊情況下,當(dāng)很難滿足軸壓比的要求時(shí),轉(zhuǎn)換桁架下層柱的軸壓比,轉(zhuǎn)換桁架以下柱可采用高強(qiáng)混凝土柱、鋼骨混凝土柱等有效方法來調(diào)整截面尺寸、剛度及 其延性。
4.結(jié)語
總而言之,高層建筑已經(jīng)成為了現(xiàn)在建筑發(fā)展的趨勢,在高層建筑快速發(fā)展的今天,設(shè)計(jì)人員除了要熟練掌握復(fù)雜高層建筑的基本設(shè)計(jì)規(guī)范、抗震設(shè)計(jì)以及布置原則之外,更要注重引進(jìn)應(yīng)用新理念、新技術(shù)。隨著我國建筑設(shè)計(jì)水平的快速發(fā)展,相信不久之后我國復(fù)雜高層建筑設(shè)計(jì)就能夠達(dá)到西方發(fā)達(dá)國家水平。
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