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夜上海论坛 【关键词】高层;建筑;结构;设计; 要点
但是就目前来说,在其结构设计中还具有一定的问题。下面本文分析高层建筑结构设计夜上海论坛中存在的问题和对策,并探讨其改进措施。
夜上海论坛 1 高层建筑结构设计中存在的问题
1.1 高层建筑结构设计不合理,没有处理好高层建筑结构的均衡关系
在目前一些高层建筑结构设计中,过分地追求美观度和个性化,从而忽略了其设计的科学性和合理性。同时高层建筑的结构设计是多种多样的,框架结构体系、剪力墙结构体系、框架剪力墙结构体系、筒体结构体系等等,在选择过程中存在一定的不合理性。另外在高层建筑的整体结构设计中,要注重考虑水平载荷中的风荷载以及地震作用,做好抗震设防系统,以能够提高建筑安全性,但是在实际建筑结构设计中,还存在对这些问题不注重问题,考虑不全面问题,从而导致高层建筑存在一定的安全隐患。一个造型完美的高层建筑必须很好地均衡主体、裙房和顶部的尺度关系。高层建筑是城市形态的关键因素和重要景点,因此要规划好城市的结构中高层建筑的位置,以及高层建筑与城市街道的关系,保证高层建筑不能对街道行人和正常活动造成影响,也不能造成视觉上的影响。目前高层建筑在这一方面还具有一定的薄弱性,没有处理好高层建筑结构的均衡关系。
1.2 高层建筑结构设计对其受力情况和水平荷载的考虑不够完善
在高层建筑结构设计中,其高度不同,那么其受力情况也就不同,其水平荷载跟竖向荷载共同作用,是对高层建筑整体设计效果进行控制的主要因素。但是随着建筑高度的不断增加,其侧向位移增加的速度也越来越快,底部弯矩也随之加大,其侧向变形过度会导致其结构在横向荷载下,附加应力明显增加,从而引起了填充墙裂缝的出现;导致电梯轨道以及装修等服务设施,出现变形或者裂缝问题,严重危及了高层建筑结构的正常使用和耐久性。
2 高层建筑结构设计要点
2.1 高层建筑基础设计中注意事项
夜上海论坛 在高层楼宇根基策划中要关注的情况划分为三类:第一类,高层楼宇根基一定要持久耐用,由于高层楼宇根基在地下部分,地下水分含量高,根基大多处在比较潮湿的环境中,因此建筑高层楼宇的根基一定要使用持久耐用的材料,如增加根基中钢筋混凝土的钢筋结构;第二类,高层楼宇的根基要足够厚实,才能够确保承担住上层构造传递下来的重量,同时匀称的传递到高层楼宇的根基中;第三类,高层楼宇根基计划一定要进行整体的考虑,不能只想到建筑楼宇自身的高度以及对附近建筑物的作用,还要想到高层楼宇在承受冲击之后是不是形状能够不改变,符合科学、经济的建筑环境。
2.2 高层楼宇构造策划中的共振情况
共振形成的环境是,高层楼宇的自震时间以及出现地震位置的特性一致抑或相当,因此能够使用具有目的性的预测楼宇出现地震时的特点情况,之后加强高层楼宇的自震时间和楼宇所建筑地区地震特点之间的距离,来防止形成共振的可能性。
夜上海论坛 2.3 高层楼宇构造策划中的水平挪动情况
夜上海论坛 高层楼宇构造策划中水平挪动不能仅以达到高层楼宇建筑标准为基础,还要结合所建位置的地震周期等情况。如在高层楼宇构造低于地震策划时,因为抗震情况和构造刚度有关,是正比的关系,所以策划的构造刚度小,不过出现的挪动在允许的范畴内,构造周期长,抗震力不大,因此这种构造策划是不科学的。
2.4 选取适宜的设计简图
夜上海论坛 设计简图一定要确保有相关的高层楼宇结构技术,并且有对高层楼宇构造的设计方式,设计简图如果选取的不适合甚至对高层楼宇构造的安全产生不良影响,所以保证高层建筑构造稳定的关键是选取适宜的设计简图。还要留意的是设计简图存在错误是很正常的,不过差错一定要在高层施工构造策划准许的范畴内。
夜上海论坛 2.5 选取科学实用的构造方法
科学的高层楼宇策划一定凭借经济实用的构造方法,也就是说在高层楼宇构造策划中要选取实际可行的构造系统以及构造方式。针对构造系统,在同一个构造单位中最好不要使用不一样的构造系统结合在一起运用,构造系统一定要简单便利,受力确定。在对高层楼宇构造策划程序中,要全面的对各种会存在影响的要素进行解析,和有关部门商定,之后敲定详细的最科学的高层楼宇构造策划方案。高层建筑中,由于竖向负荷较大的原因,可能会引起在柱中较大程度上的变形,从而对连续梁、弯矩产生比较大的影响,该影响包括两个方面:一方面是,会增大端支座负弯矩的数值或者是增大跨中正弯矩的数值,另一方面是,减小连续梁中间支座的负弯矩值。
2.6 准确解析、核实设计结果
在高层楼宇构造策划程序中大多使用电脑,不过因为现在市场中存在的电脑软件类型繁多,不一样的电脑程序设计的结果也是不一样的,因此这就需要高层楼宇构造设计工作者要全面熟悉电脑的程序所适合使用的范畴,避免在借助电脑设计的过程中,因为程序自身的不足,软件中的设计方式不适合构造的实际设计状况因为电脑程序对项目施工构造策划产生不良影响。还有,要避免电脑协助设计构造策划中操作者的失误,在输入资料时一定要严谨仔细,并且操作者在后续作业中,对资料也要严格的进行审核,科学解析,做出最正确的判定。高层建筑和低层建筑的区别之一就是:在建筑结构方面,高层建筑的结构较柔和,同时也就保障在地震作用下高层建筑的变形更大。为了避免高层建筑在遭受较大冲击后,在进入高层建筑塑性变形阶段的前提下,高层建筑仍可以具有较强的变形能力,也就是避免高层建筑的倒塌,需要在高层建筑结构设计时采取恰当合理的措施,达到保障高层建筑结构具有应对较大冲击的延性。
夜上海论坛 2.7 高层建筑结构设计时尽量减轻自重
在同样的地基情况下,减轻自重更有利于加大楼层的高度,同时可以获得更高的经济效益。减轻自重在一定程度上可以减少地震的破坏性,是提高结构抗震能力的有效办法。如果高层建筑的质量很大,作用在结构上的地震剪力大,而且高层建筑重心高地震造成的倾覆力矩大,破坏性也就越强。因此,在高层建筑房屋中,结构构件在保证高强度材料的条件下,各种非结构构件和围护墙体都应当采用轻质材料以减轻房屋自重。这样有利于减小结构刚度和地震破坏强度,节省材料,降低成本,充分利用有限的土地面积创造更大的建筑面积。
2.8 使结构具有足够的抵抗侧向力和刚度的能力
夜上海论坛 高层建筑结构设计中,不仅要求整体结构能够承受足够的垂直负荷,而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力和刚度的能力,不至于因受到侧向力时而发生超出允许范围的侧向偏移。如果侧向位移太大,会使楼层重心偏移,造成居民的惊慌,影响楼层内居民的正常学习、工作和休息。甚至还会是家居的墙体出现倾斜,装饰脱落或出现裂纹,整个楼层里的水气管道、电梯发生异常,框架结构破坏等。
3 结语
随着社会技术的不断发展和进步,高层建筑的设计理念和设计技术也在不断地更新,对其设计风格也进行了积极的探索和改变,这都将推动现代高层建筑的迅速发展。高层建筑的结构设计是一项综合性的技术工作,是建造建筑物的基础工,结构设计的优劣对建筑物的安全性、经济性、实用性有着重要的意义。因此工程技术人员要结合专业知识、施工技术要求、地质情况、开发商设计要求等,合理设计建筑物高度和建筑结构。
参考文献:
夜上海论坛 关键词:转换层;高层建筑;梁式;竖向;抗震
中图分类号:TU208文献标识码: A
一、转换层的功能与设计原则
夜上海论坛 (一)转换层的功能
1、建筑功能
利用转换层结构可以为高层建筑提供宽阔的室内空间和出入口。
2、结构功能
夜上海论坛 高层建筑利用转换层可以实现上下部结构的转换,上部的剪力墙结构更适合于民用住宅结构,而下部框架结构由于可以具有较大的内部空间,更适宜商用。通过转换层将两者有效的融合为一体,确保了高层建筑结构的多样化。
夜上海论坛 3、轴线及上下层柱网转换
利用转换层进行结构设计时,在其不改变上下结构形式的情况下,可以通过对轴线及上下层柱网的改变,实现下部柱距的扩大,以大柱网的形式满足下部大空间的需求。
4、错位布置
在进行上下结构转换时,可以对上部结构和下部结构的轴线和柱网轴线进行错位布置。
(二)设计原则
高层建筑由于自身重量较大,所以对其稳定性和抗震性具有较高的要求,但在进行转换层设置时,极易导致竖向刚度突变的发生,从而导致高层建筑结构的抗震性能受到较大的影响,所以在进行转换层设计时需要遵循利用直接落地的竖向构件、宜低不宜高、宜小不宜大的诸多原则。即在进行转换层设置时,由于竖向构件会对刚度和结构的抗震性能带来突变,所以需要选择直接落地的竖向构件来进行设置;在进行转换层设置时,尽量选择高层建筑竖向位置较低的地方;同时为了确保所设置的转换层结构型式能够具有更明确的传力路径,所以需要对转换层结构进行优化,这样对于结构设计和施工都会有一定的益处;在转换时需要对刚度进行适度的控制,不宜过大,这样不仅有利于建筑物的安全性,而且也会带来较好的经济性。
二、结构转换层的类型及设计方法论述
夜上海论坛 高层建筑结构转换层可以分为四种类型:梁式转换层、厚板式转换层、箱式转换层和桁架式转换层。
(一)梁式转换层
特点:梁式转换层分为托柱形式转换梁截面设计和托墙形式转换梁截面设计,这两者是按功能不同来进行划分的。
1、托柱形式转换梁截面设计
夜上海论坛 当转换梁承接的是上部的普通框架时,可以按照普通的截面设计进行配筋计算,因为这时的转换梁承受的力基本上和普通梁承受的力是一样的,但是,当转换梁承受的是上部斜杆框架时,就应该按偏心受拉构件进行截面尺寸设计,因为,此时的转换面承受的是轴向拉力。
2、托墙形式转换梁截面设计
在转换梁的施工过程中,力学问题是一个关键问题,必须要予以重视,当转换梁承受上部的墙体是小墙体时,要采取普通梁的截面设计方法进行配筋计算,且纵向的钢筋也可以放置在转换梁的底部,像普通梁那样布置就可以了;当转换梁承受的是上部墙体且满跨不开洞时,转换梁应采取的截面设计方法是深梁截面设计方法,它的受力特点和破坏形态表现为深梁,不过此时的转换梁跨中较大范围的内力较大,所以其纵向的钢筋就不应该弯曲或者截断了;当转换梁承托上部墙体满跨或者不满跨时,但是剪力墙长度比较大时,应该采取的转换梁设计方法是深梁截面设计方法。
(二)箱型转换结构
当转换梁的截面较大时,可以在转换梁的梁顶和梁底同时设置一层楼板,遍布全层,使得整个楼层都构成“箱子”形式,也因此被称为“箱型转换层。
箱型转换结构也是高层建筑设计中较为常用的一种结构形式,在设计过程中主要要注意支撑体系的合理设置,这是保证建筑施工质量的重要前提,主要特点有:层高大、自重大、混凝土强度高、结构受力比较复杂、墙柱模板支设困难等,主要优点是转换层本身的整体性非常好,但是,它也有其缺点,就是它直接占用了整个楼层的面积,使得这个楼层不能再有其他用途,只能当做设备层使用,还有一个缺点就是上面所提出的自重大、造价高,这也是在实际应用当中很少使用的原因。
(三)厚板式转换层
这种厚板厚梁式转换结构主要优点是布置灵活,整体性比较好,当上、下柱网线错开比较多很难用梁来承托时就需要采取这种形式,做成厚板,厚板的厚度也可以根据上下的结构以及柱网尺寸而定,但是这种厚板式转换层的自重很大,地震作用大,耗费材料多,不仅耗费资金而且还容易发生震害,所以这种方法采用的也不是很多。
夜上海论坛 厚板式转换层可以采用T B SA 等的三维空间分析程序对整体进行内力分析,主要是转换板的不规则边界,这样一般会采用有效单元法进行内力分析,还可以采用复杂楼板有限元分析软件进行进一步计算,还可以对板进行在竖向压力荷载作用下的受弯和局部压力等的计算。
(四)桁架式转换层
桁架可以分为两种,一种是空腹桁架,另一种是实腹桁架,这种桁架式转换层主要是由梁式转换层结构转换而来的,与梁式转换层相比它的受力更加明确、整体性好、抗震能力强、框支柱柱顶弯矩和剪力更加小一点,这是它主要的优点,但是缺点也比较明显,施工难度大,更加复杂、节点设计难度大。可以对其进行整体结构的内力分析,当高层建筑的下部为大商场时,需要的空间必须要大,上部则是居住办公等的小空间,这时就可以采用桁架式转换层,特别是在需要设置管道时,更要采取这种方式,一般采用桁架式转换层时应该满层进行布置,而且上弦节点要与上部密柱中心对齐。桁架式转换层的重量比较小,所以也减小了下部框架的承重负荷。
三、带转换层的高层建筑结构设计要点
夜上海论坛 (一)转换层结构布置
据相关研究已经显示,在底部的转换层中,如果其位置越高,它的上下高度的突变就会越大,转换层的上下内力的传递途径,其突变也会加剧,落地的剪力墙以及其他墙体就容易出现裂缝现象,框支柱内力加大,使得转换层的上部其附近的一些墙体就会被破坏。所以说,转换层的位置如果过于高,就会对抗震产生不利的影响。按照相关的研究结果显示,转换构件能够运用箱形结构、斜撑、厚板、转换大梁等形式,在地震区对于一些转换厚板的使用经验是比较少的,可以在一些非地震区采用,在一些大空间的地下室中,因为其周围有着约束的作用,而地震的反应也低于上部的框支结构,所以,在 7 度到 8 度地区的地震设计的一些地下室就能够采用这种厚板转换层。
(二)转换层竖向布置
转换结构可以根据结构的传力以及建筑的功能需要,沿着层高的建筑方向灵活布置,也可以符合建筑功能要求的基础上,能够在楼层的局部来设置转换层,而且自身的空间可以作为一种技术设备层,也可以作为一种正常的使用层,但是前提是要保证转换层的刚度,这样来防止刚度的过分悬殊。
(三)转换层抗震设计
夜上海论坛 为了进一步的保证设计的准确性与安全性,规定在一些框支剪力墙其转换层的位置如果是设置在第三层以上,那么框支柱以及剪力墙其底部的抗震等级要提高一级,如果已经是特一级就不再需要提高,而对于底部的框架来说,如果其为密柱框架,其抗震等级就不用再提高。转换层其构件在水平地震作用下的内力要将其调整,如果是八度的抗震设计,就要对竖向地震的影响需要考虑。
夜上海论坛 (四)转换层楼板设计
夜上海论坛 转换层将框支剪力墙分成上下两部分,对于这两者来说,其受力情况是有一定差距的,在上部的楼层中,因为外荷载而产生的水平力,有自己的分配原则,它是根据剪力墙的刚度来进行的。在下部楼层中,框支柱的刚度与落地的剪力墙的刚度也是不同的,后者承担着水平剪力,也就是说,在转换层处荷载的分配不是很均匀。转换层其楼板具有比较重的任务,转换楼板其自身的变形大、受力大,应该要保持足够的刚度来完成对于自己任务的支撑。
参考文献
[1]李多龙. 高层建筑结构设计的基本流程分析[J]. 江西建材. 2013(06)
夜上海论坛 关键字:高层建筑;结构设计;要点分析
夜上海论坛 1高层建筑结构设计的基本原则
1.1结构方案合理化原则。高层建筑结构方案的合理化是指高层建筑结构设计方案必须与结构体系和结构形式的要求保持一致,同时应满足经济性的要求,其中结构体系的具体要求为传力简单化、受力明确化。针对某些结构单元相同的高层建筑物,其结构体系应相同。1.2计算简图合理化原则。高层建筑结构设计的基础是计算简图,计算简图的合理性直接关乎高层建筑结构的安全,由此可见高层建筑结构设计必须坚持简图合理的原则。高层建筑结构构件及节点的简化可以有多种选择,但必须把计算结果的误差控制在合理的范围内,以免对建筑结构产生负面的影响,从而影响建筑结构的安全。1.3结果分析精准化原则。伴随着计算机技术的迅速发展,当前很多领域都开始应用计算机技术,并且发挥着至关重要的作用,而在建筑结构方案设计中,通过应用计算机技术能够对相关数据进行科学更加科学的分析,不仅能够有效的降低人工计算存在的失误,而且还能确保建筑结构方案的准确与合理。
夜上海论坛 2高层建筑结构设计特点
2.1水平荷载。建筑同时承受竖向荷载和地震及风产生的水平荷载,在多层建筑中,因水平荷载产生的内力和位移相对较小,对建筑建构设计的影响不大,主要是以重力为代表的竖向荷载着建筑结构的设计起控制作用。而在高层建筑中,很多时候是水平荷载对建筑结构设计起决定性作用,尽管竖向荷载对结构设计会产生重要的影响,但相对于水平荷载来说,影响相对较小。2.2轴向变形。对于多层建筑轴力项相对于弯矩项来说,对结构设计产生的影响不是很大,结构设计时可只考虑弯矩项而忽略轴力的影响。但是对高楼层建筑结构进行分析所要考虑的因素就不太一样了,需充分考虑到高层建筑的层数、高度对竖向构件轴力值的影响。随着高度的不断增加,竖向构件的轴力变形也会变得特别明显,当竖向构件轴向变形达到一定的程度,会使高层建筑的结构内力数值和分布产生变化。2.3建筑侧向位移。随着建筑楼层及高度的增加,在水平荷载的作用下产生的侧向位移也会不断的增大。高层建筑设计时,需要保证足够的结构强度,在应对风荷载及地震作用产生的内力作用时,才能有足够大的力量去抵御。为了能够将风荷载及地震作用下产生的侧移距离控制在一定的限度之内,就必须拥有足够的抗侧刚度能力,才能较好的保障结构安全及正常使用的舒适度。
3高层建筑结构设计存在的问题分析
夜上海论坛 3.1建筑短肢剪力墙设置存在问题。随着人们对住宅平面与空间的要求越来越高,高层住宅建筑中短肢剪力墙的运用越来越多。在一般情况下,建筑结构的短肢剪力墙是指墙肢的高度、厚度比例为5-8的墙体。短肢剪力墙与普通剪力墙相比承担较大轴力与剪力,抗震性能较差,从受力特性及构件的安全储备有别普通剪力墙,为安全起见,在高层住宅结构中短肢剪力墙布置不宜过多,不应采用全部为短肢剪力墙的结构,在某些情况下还要限制建筑高度。3.2抗震结构设计问题。高层建筑结构设计中很重要的内容是结构抗震设计。受高层建筑高度过高、荷载过大的影响,一旦出现了地震,就会诱发出各种不可估计的问题。现阶段我国建筑工程建设要求高层建筑最低要保证五十年的设计基准期,并对高层建筑的抗震设计进行了明确的规定。但是在实际结构设计中,存在设计人员对规范理解不透、概念设计模糊等问题。如果高层建筑结构设计人员没有充分认识到上述问题,就会给高层建筑留下安全隐患。3.3扭转问题。质量中心、刚度中心和几何中心是高层建筑结构设计中的“三心”,“三心合一”也是高层建筑结构设计过程中需要尽量达到的目标。但是在实际设计中存在“三心”偏离较大的问题。在三心偏离较大的情况下,受较大水平力的影响就会出现高层建筑扭转震动的问题,影响高层建筑的安全。
4高层建筑设计相关假定
4.1弹性假定。当建筑处于一般风力的、正常使用竖向荷载及低于设防烈度的地震的作用时,建筑结构构件一般处于弹性的工作阶段,这一假定与实际的工作情况存在的差异不大。但当遭遇强震作用或者强烈的台风天气时,建筑产生的位移会比较大,结构构件会转入弹塑性的工作阶段。在这个时候就应当按照弹塑性动力分析方法进行分析,而不能只按照弹性假定的方法计算,否则就不能将结构构件的真实工作状态反映出来,留下安全隐患。4.2小变形假定。小变形假定方法是除了弹性假定之外另一种比较常用的方法,但也有学者对几何非线性问题进行研究。除了弹性假定,小变形假定方法也常被采用。但有不少学者对几何非线性问题(P-Δ效应)做了一些研究。一般情况下,当顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/H>1/500时,P-Δ效应的影响就不能被忽视了。4.3刚性楼板假定。目前在我国对很多高层建筑结构进行分析时,都是将楼板的平面内刚度设定为无限大,而将楼板平面外的刚度予以忽略。在这种假定下,建筑结构体系的自由度在一定程度上减少,对计算方法进行了简化。此外通过这种假定,使得在使用薄壁杆件的理论在对筒体体系的结构进行计算时非常方便,但是一般情况下,因为受到计算方式以及其他因素的影响,使得这种假定通常比较适合对建筑的框架以及剪力墙体系的计算。4.4计算图形的假定。在高层建筑架构体系中,整体分析将采用的计算图形分为一维、二维协同分析和三维空间分析三种。其中,三维空间分析的普通杆单元,每一节点含有6个自由度,按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应该考虑截面翘曲,截面翘曲有7个自由度。
夜上海论坛 5高层建筑结构设计要点
5.1建筑的载荷设计。在高层建筑的建筑结构设计中,建筑的安全性以及稳定性是设计的重中之重,而建筑的荷载直接影响着建筑的安全以及稳定,因此在进行建设设计时一定要做好荷载的计算。相对于一般的建筑,高层建筑的荷载及其组合要复杂的多,相关的设计人员在进行建筑的荷载计算时需要考虑的内容也多得多。在进行高层建筑的荷载计算时,最主要的内容是以下两个方面:建筑的地震荷载以及风荷载。在实际的设计中,复杂的超限高层建筑还应当进行的风洞试验及振动台试验,以确保建筑的安全。5.2建筑抗震性能的设计。因为高层建筑的高度要比普通建筑高出很多,多以其对应力的承受能力也不一样,因此当地震时其产生的反应程度也不是一样的,因此对于高层建筑,在进行设计的时候必须要充分考虑抗震设计。而且抗震设计时,必须要对建筑所处的地形地质条件都进行充分的考虑,通常土地比较坚硬的其抗震强度会比较大,所以要尽量选择硬度比较大的土层,而避开那些土质疏松的地层,而对土层的变化进行有效的把握成为抗震设计中的一个困难点。5.3高层建筑结构的包络设计。包络设计是近年来比较常见的设计方式,可以有效解决工程项目结构设计中存在的各种问题。当前工程设计问题变化比较多,有许多因素都会影响到结构效应,各种问题盘根错节,使用目前已经掌握的只是或者软件很难对其进行准确的分析。学术科学和工程的不同点在于后者难以长时间等待。因此要通过优化结构设计的形式,利用最少的经济投入来获取最大的经济效益,并解决工程项目存在的问题。不同的工程条件可以用不同的网络设计原则来处理,在对待转换结构转换层或者连体结构时,也可以用网络设计,对构件进行分析验算,取不利值包络设计。
总之,高层建筑的复杂性不仅要求其设计人员必须具有较高的综合素质,而且还有掌握足够的理论知识以及相关的法律知识,而且在对其进行结构设计时也要对对建筑周围的环境进行综合的考虑,由此来提高设计的质量,同时降低建造的成本,促进高层建筑的健康发展。
作者:崔惠林 单位:保定市城乡建筑设计研究院
参考文献:
夜上海论坛 [1]刘军进,肖从真,王翠坤,徐自国,田春雨,陈凯.复杂高层与超高层建筑结构设计要点[J].建筑结构,2011,11:34-40.
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