王晨
(山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司,山東 濰坊 262500)
近年來,進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),由于缺乏先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段,導(dǎo)致計(jì)算、測量參數(shù)缺乏較高精準(zhǔn)度,再加上施工過程中沒有注意細(xì)節(jié)問題,或者施工存在失誤問題,致使高層建筑在投入使用后存在很大的安全隱患。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu),嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作,能夠消除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的不足,提高混凝土結(jié)構(gòu)的合理性和安全性,為高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性能提供有效保障。因此,進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需要遵循安全性、適用性、可靠性設(shè)計(jì)原則,優(yōu)化設(shè)計(jì)地基基礎(chǔ)、建筑平面結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、薄弱層結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu),嚴(yán)格控制混凝土的配合比,提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度和強(qiáng)度,全面提升高層建筑的整體建設(shè)質(zhì)量,延長高層建筑的使用年限。
跟一般的建筑物相比,高層建筑物的建設(shè)高度較高,人口居住密度大,如果高層建筑物混凝土結(jié)構(gòu)缺乏良好的穩(wěn)定性,一旦發(fā)生自然災(zāi)害,就會帶來嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,危害程度較高,所帶來的社會影響也更加深遠(yuǎn)。因此,在進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),首要遵循的設(shè)計(jì)原則就是安全性,安全第一。以《混凝土結(jié)構(gòu)安全健康標(biāo)準(zhǔn)》作為設(shè)計(jì)指導(dǎo),設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重視結(jié)構(gòu)性能,要提高整體混凝土結(jié)構(gòu)抵御外部風(fēng)險(xiǎn)因素的能力,包括建筑抗震性、抗風(fēng)性、抗水淹等,降低各種自然災(zāi)害對建筑物的毀滅性破壞,這樣才能提高建筑安全系數(shù),為人們的生命安全與財(cái)產(chǎn)安全提供強(qiáng)有力保障[1]。
進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),不僅要考慮安全性,還需要考慮整體結(jié)構(gòu)的適用性。設(shè)計(jì)人員需要了解掌握建筑物的使用功能,對高層建筑內(nèi)部空間進(jìn)行合理分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),提高結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性,確保建筑物的適用性,這樣能夠讓高層建筑的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來,滿足人們的使用需求。
進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),還需要考慮到施工材料、施工工藝等因素,這些因素會對混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性產(chǎn)生一定的影響。為了提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效果,需要嚴(yán)格檢查施工材料質(zhì)量,嚴(yán)格規(guī)范施工工藝和施工技術(shù),這樣才能確保施工流程高效有序進(jìn)行,確保混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求,延長高層建筑結(jié)構(gòu)的使用年限,提高建筑整體結(jié)構(gòu)的可靠性。
地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要組成部分,只有合理設(shè)計(jì)地基基礎(chǔ),才能為建筑物提供良好的支撐作用,提升高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量。就目前高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來看,很多設(shè)計(jì)人員沒有重視地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)部分,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)缺乏安全性和經(jīng)濟(jì)性,最終影響了高層建筑的使用質(zhì)量。比如,在柱下獨(dú)立基礎(chǔ)帶梁板式的地下室底板設(shè)計(jì)中,很多設(shè)計(jì)人員都忽略了地基的沉降風(fēng)險(xiǎn)問題,沒有將沉降變形帶來的附加應(yīng)力納入考慮范疇,最終導(dǎo)致底板處于不安全狀態(tài)下,地下室底板缺乏良好的承載能力,在外力作用下很容易出現(xiàn)開裂情況[2]。
新的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對結(jié)構(gòu)的可靠度、設(shè)計(jì)計(jì)算等內(nèi)容進(jìn)行了更新和補(bǔ)充,尤其是對結(jié)構(gòu)規(guī)則性增加了很多限制,對抗震及結(jié)構(gòu)的整體性提出了更高的要求,同時(shí)也深化了建筑設(shè)計(jì)中的超高問題。比如,新的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范明文規(guī)定,建筑物的建筑設(shè)計(jì)方案不能采用嚴(yán)重不規(guī)則的建筑平面結(jié)構(gòu)。因此,在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格按照建筑設(shè)計(jì)規(guī)范開展設(shè)計(jì)工作,合理設(shè)計(jì)建筑平面結(jié)構(gòu),盡可能選擇簡單、規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)。如果設(shè)計(jì)方案中存在不符合設(shè)計(jì)規(guī)范的情況,設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,避免設(shè)計(jì)工作中存在隱患[3]。
近年來,很多地區(qū)頻繁發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,最為常見的就是地震,一旦出現(xiàn)地震災(zāi)害就會發(fā)生建筑物倒塌事故,帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,鑒于此,人們開始對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能投以高度關(guān)注的目光,這就要求在高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,注重抗震設(shè)計(jì)。影響高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的因素有很多,鋼筋的使用數(shù)量、鋼筋分布情況、結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的穩(wěn)定性等都會對其產(chǎn)生影響,一旦設(shè)計(jì)人員沒有對這些進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),那么混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能就無法得到強(qiáng)有力保障。此外,高層建筑的平面結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)以及薄弱層結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)效果也會影響建筑物的抗震性能,此部分內(nèi)容也需設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注。
在高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,混凝土裂縫問題普遍存在,混凝土裂縫類型分為溫度裂縫、膨脹裂縫、收縮裂縫、結(jié)構(gòu)裂縫等。進(jìn)行高層建筑施工時(shí),經(jīng)常會在施工現(xiàn)場現(xiàn)澆制作鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件,構(gòu)件不同,它們的剛度也存在很大的差別,這就導(dǎo)致整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中部分區(qū)域的剛度無法達(dá)到規(guī)定要求,在后續(xù)施工中或者投入使用后這些薄弱區(qū)域就會逐漸產(chǎn)生裂縫,如果不采取有效的措施進(jìn)行處理,裂縫會逐漸蔓延擴(kuò)大。而溫度裂縫經(jīng)常出現(xiàn)在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中以及溫差較大的區(qū)域,這是因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)表面散熱比較快,而混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于發(fā)生水化反應(yīng)導(dǎo)致內(nèi)部熱量不容易散發(fā)出去,混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差就比較大,混凝土表面就會產(chǎn)生一定的應(yīng)力,一旦應(yīng)力高于混凝土的最大抗拉強(qiáng)度,裂縫就產(chǎn)生了[4]。
作為高層建筑施工中的重要建筑材料,混凝土的屬性并不是單一的,而是多樣性的,混凝土的原材料有水泥、石頭、砂子、添加劑、水等,將這些原材料拌和在一起最終凝結(jié)形成混凝土材料。在施工過程中,由于高層建筑的建設(shè)要求不一樣,對混凝土的強(qiáng)度和耐久性標(biāo)準(zhǔn)也存在很大差異,這就要求進(jìn)行混凝土材料拌和時(shí),需要提前進(jìn)行試驗(yàn),嚴(yán)格按照試驗(yàn)比例進(jìn)行配比,這樣才能確?;炷临|(zhì)量達(dá)到規(guī)定要求。就實(shí)際情況來看,還是存在混凝土材料配比不合理的情況,大大降低了混凝土的標(biāo)號等級,這樣在混凝土結(jié)構(gòu)施工環(huán)節(jié),混凝土表面很容易出現(xiàn)氣泡、凹坑、蜂窩麻面等缺陷,嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量,降低了高層建筑的穩(wěn)定性和安全性。比如,制作混凝土?xí)r,如果砂石材料的投入比例超出了規(guī)定配比,那么在攪拌過程中由于骨料過度集中導(dǎo)致拌和物出現(xiàn)分崩離析狀態(tài),嚴(yán)重情況下混凝土材料會發(fā)生硬化,使得混凝土的牢固性大大降低。
地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要地位,地基基礎(chǔ)承載著整體的建筑物結(jié)構(gòu),良好穩(wěn)定的地基有助于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的提升。因此,在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),需要注重地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì),根據(jù)建筑施工的相關(guān)要求選擇合適的基礎(chǔ)類型,制定多種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案,對比分析各方案的經(jīng)濟(jì)性和安全性,從中選取出最佳方案,以此降低造價(jià)成本,提高建筑物的穩(wěn)定性、抗震性和安全性。設(shè)計(jì)前需要實(shí)地考察施工現(xiàn)場,掌握了解建筑的地理位置、地質(zhì)條件、水文條件、周圍的環(huán)境因素等,在此基礎(chǔ)上綜合分析,制定合適的建筑方案。如果建筑的地理位置優(yōu)越,地質(zhì)條件不復(fù)雜,建筑的建設(shè)高度不是很高,就需要選擇一些簡單方便的淺性基礎(chǔ),比如獨(dú)立基礎(chǔ)或者條形基礎(chǔ)。如果建筑的地理位置條件復(fù)雜程度高,建設(shè)高度很高,地基基礎(chǔ)需要承擔(dān)較大的負(fù)荷,就可以選擇樁基礎(chǔ),通過樁基礎(chǔ)將建筑物整體的荷載傳遞到土質(zhì)穩(wěn)定良好的土層上,有效避免建筑物的沉降問題。如果建筑物水文地質(zhì)條件好,而且要求的層數(shù)高,筏板基礎(chǔ)是較為合適的選擇,筏板基礎(chǔ)不僅能夠提高下部持力層,還能使高層混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)面積得到明顯提升,這樣能夠使土層單位面積的受力值大大降低,確保地基基礎(chǔ)具有良好的穩(wěn)定性,對建筑物的不均勻沉降進(jìn)行合理控制。
只有具備良好的抗震性能,高層建筑才能抵御地震災(zāi)害的侵襲,而高層建筑的平面結(jié)構(gòu)布局是影響建筑物抗震性能的主要因素。因此,需要重點(diǎn)關(guān)注建筑平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行建筑平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需要嚴(yán)格遵循高層建筑抗震設(shè)計(jì)原則,掌握了解混凝土結(jié)構(gòu)材料對建筑抗震性能的影響,參考建筑物的建設(shè)高度,確定好建筑物所要達(dá)到的抗震等級。通常情況下,如果建筑平面結(jié)構(gòu)具備簡單、規(guī)則、對稱特點(diǎn),那么它不僅符合抗震規(guī)定要求,顯著提高了整體的抗震能力,還能使地震釋放的能量盡快消耗掉,大大降低地震延伸所帶來的破壞力。如果建筑平面結(jié)構(gòu)屬于多塔結(jié)構(gòu)、頂塔結(jié)構(gòu),就需要對它們的振型數(shù)進(jìn)行合理掌握,將其大小控制在合理范圍內(nèi),認(rèn)真核算設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),根據(jù)抗震設(shè)計(jì)理念和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)要求,在確保建筑物建設(shè)要求得到滿足的前提條件下,對建筑平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化完善,確保高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗震性能[5]。
進(jìn)行高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí),需要根據(jù)相關(guān)建筑結(jié)構(gòu),認(rèn)真考慮剛度角和延性角2 個(gè)問題。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)的延性水平,需要保證結(jié)構(gòu)的承載力保持不變,再根據(jù)建筑主體結(jié)構(gòu)的抗變形效果對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);為了優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)的剛度水平,設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)建筑物主體結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和自身的自振周期對相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)計(jì)人員需要深入研究剪力墻的構(gòu)件結(jié)構(gòu),對構(gòu)件結(jié)構(gòu)的延性、剛度、極限承載力進(jìn)行合理分析,在此基礎(chǔ)上采取有效的措施提高剪力墻構(gòu)件結(jié)構(gòu)的支撐強(qiáng)度和穩(wěn)定性。同時(shí),在進(jìn)行相關(guān)剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),需要同步進(jìn)行減震隔離設(shè)計(jì)工作,確保兩者工作的步調(diào)協(xié)調(diào)一致。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu),確保高層建筑支座間的彈塑性位移角持續(xù)保持在合理范圍內(nèi),而且通過提高彈性層間位移角限值,能夠讓鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化,顯著提升混凝土結(jié)構(gòu)的剛度參數(shù)和延伸特性參數(shù)。
在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,需要高度重視薄弱層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。在地震等自然災(zāi)害影響下,高層建筑的薄弱層會出現(xiàn)下沉、變形情況,從而嚴(yán)重破壞了建筑內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu),降低了混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性,帶來了安全隱患。因此,設(shè)計(jì)人員需要優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑中的薄弱層,確保高層建筑具有良好的安全性能。如果高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的豎向結(jié)構(gòu)剛度無法保持連續(xù)性,再加上建筑物沒有按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的樓層剛度進(jìn)行施工作業(yè),那么就會很容易出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)薄弱層,建筑物的安全隱患也會大大增加。這種情況下,設(shè)計(jì)人員進(jìn)行薄弱層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),就需要通過對薄弱樓層的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,確保薄弱層的設(shè)計(jì)能夠符合設(shè)計(jì)規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)要求。如果制定的安全標(biāo)準(zhǔn)缺乏合理性,那么薄弱樓層的施工質(zhì)量必將達(dá)不到相關(guān)規(guī)定要求。此外,進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),還需要加強(qiáng)對薄弱層周邊區(qū)域和周邊構(gòu)架的設(shè)計(jì),這樣能夠提高高層建筑薄弱層的設(shè)計(jì)效果,讓建筑物整體具備較強(qiáng)的抗震性能,確保建筑物的使用安全。
高層建筑底部各層的建造不僅要滿足建筑空間的各項(xiàng)建設(shè)要求,還需要在建筑中的相應(yīng)位置設(shè)置一定的轉(zhuǎn)換層,確保上下結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換具有良好的過渡性。因此,在進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),需要做好轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作,不僅要保證轉(zhuǎn)換層上下垂直方向的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),還需要對轉(zhuǎn)換層的上部和下部結(jié)構(gòu)的剛度比進(jìn)行嚴(yán)格控制,這樣在剪力墻建造施工比例合理控制的前提條件下,能夠顯著降低上下混凝土結(jié)構(gòu)剛度突然變化帶來的影響力。如果轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不足,就會導(dǎo)致建筑物的整體結(jié)構(gòu)存在缺陷,這個(gè)缺陷的位置就會成為地震侵襲的突破口,安全隱患很大。同時(shí),還需要對高層建筑轉(zhuǎn)換層以上豎向構(gòu)件的數(shù)量進(jìn)行嚴(yán)格控制,從而使轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剛度的差異性大大降低,這樣即便混凝土結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層發(fā)生了剛度轉(zhuǎn)變,也不會對建筑物整體的安全性能帶來太大的影響。此外,高層建筑轉(zhuǎn)換層的混凝土澆筑面積很大,對混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了很高的要求,施工過程中需要格外注意混凝土溫度裂縫問題。相關(guān)人員需要合理調(diào)整振搗點(diǎn)及振搗范圍,不僅要避免振搗棒碰撞鋼筋,還需要保證混凝土內(nèi)部振搗的均勻性。
混凝土作為高層建筑施工中不可或缺的材料,它的參數(shù)和性能會對高層建筑的施工質(zhì)量和使用年限產(chǎn)生直接影響。因此,在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),需要優(yōu)化設(shè)計(jì)混凝土配合比。為了提高混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,相關(guān)人員需要提前做好混凝土試驗(yàn)工作,混凝土配合比設(shè)計(jì)內(nèi)容包含用水量、水泥用量、砂石總用量等。選擇水泥時(shí)優(yōu)先選擇普通硅酸鹽水泥,此種水泥的水化熱反應(yīng)適中,可避免因混凝土內(nèi)外部溫差過大而影響混凝土性能,然后再根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求準(zhǔn)備其他試驗(yàn)原料,同時(shí)需要對各種砂石骨料的含水量和大小進(jìn)行準(zhǔn)確檢測,最后再運(yùn)用專業(yè)的計(jì)算方式,獲得科學(xué)有效的混凝土配合比。當(dāng)然配合比并不是固定不變的,相關(guān)人員還需要結(jié)合施工的建設(shè)要求和施工現(xiàn)場的實(shí)際情況,適當(dāng)調(diào)整各原材料的添加比例,這樣才能提升混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性[6]。
進(jìn)行混凝土拌和時(shí),施工人員需要嚴(yán)格按照原材料的添加順序進(jìn)行添加,確保均勻混合混凝土材料,混凝土攪拌時(shí)間可以有效參考攪拌設(shè)備的容積和混凝土的性能表現(xiàn),這樣拌和出來的混凝土強(qiáng)度才能滿足施工要求。還需要著重關(guān)注混凝土的水化熱控制方式,將材料膨脹劑適量添加在混凝土原材料中,合理控制混凝土內(nèi)外溫差。在混凝土施工過程中,如果施工環(huán)境的溫度比較低,就需要采取有效的保溫措施避免混凝土出現(xiàn)結(jié)冰或者凍害現(xiàn)象。在高層建筑施工中,經(jīng)常會大量地澆筑混凝土,施工人員需要對混凝土的水灰比和坍落度進(jìn)行嚴(yán)格把控,保證混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度,減少混凝土裂縫問題的產(chǎn)生。
綜上所述,優(yōu)化設(shè)計(jì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)具有至關(guān)重要的作用,能夠提高混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,為高層建筑施工奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此,在高層建筑施工中,需要提高混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重視度,優(yōu)化設(shè)計(jì)高層建筑的各個(gè)單元結(jié)構(gòu),提高各結(jié)構(gòu)的建設(shè)質(zhì)量,確保混凝土結(jié)構(gòu)符合施工要求,提高高層建筑的使用質(zhì)量和使用安全性,有效保障人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。