超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵性問題

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摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國建筑業(yè)也在不斷的發(fā)展，城市中一些高層建筑越來越多，在一些高層建筑物中又不乏一些超高層的建筑物。隨著時代的不斷發(fā)展，在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面有了很大的變化，雖然我國在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面取得了一定的成就，但是在具體的發(fā)展過程中仍然存在一些問題，現(xiàn)如今超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計成為了高層建筑設(shè)計的核心內(nèi)容，由此可見超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性，如果不及時的解決在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些問題就會嚴(yán)重阻礙超高層建筑的發(fā)展。本文從超高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)入手，分析了超高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇，對超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題和對策進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；關(guān)鍵性問題；對策

1前言

在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要用到很多先進(jìn)的知識和技術(shù)，因此要保證設(shè)計師具有先進(jìn)的思想觀念，因為建設(shè)超高層建筑是一個非常復(fù)雜的過程，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中不僅要保證超高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性，還要保證建筑的實(shí)用性。由于超高層的建筑一般都是用來當(dāng)做寫字樓或者是居民用房，因此人流比較密集，只有保證擁有科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計才能夠?qū)崿F(xiàn)超高層建筑的正常使用，在超高層建筑設(shè)計過程中有很多關(guān)鍵性的問題都是要注意的。

2超高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點(diǎn)和核心內(nèi)容是通過抗側(cè)構(gòu)件提高整體結(jié)構(gòu)的延性，因為在設(shè)計超高層建筑結(jié)構(gòu)的過程中應(yīng)該充分的考慮建筑物各個方面的荷載，不僅僅要考慮水平方向的承受能力，還應(yīng)該考慮垂直方向的承受能力，超高層結(jié)構(gòu)主要考慮抵抗水平力。在如今不斷增加的超高層建筑物中，在保證抗側(cè)能力提高整個建筑物的舒適程性是非常重要的，只有在擁有了良好的結(jié)構(gòu)方案后才能有效的保證建筑物舒適性。因此在設(shè)計的過程中一定要充分的比選各類結(jié)構(gòu)方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化方案,在盡可能滿足建筑使用功能及建筑效果的情況下,考慮結(jié)構(gòu)安全及經(jīng)濟(jì)的合理性。

3超高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇

3.1超高層結(jié)構(gòu)體系分類

超高層常用的主體結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類型有筒中筒、框架-核心筒以及其他組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要可設(shè)置帶加強(qiáng)層。樓蓋結(jié)構(gòu)宜采用預(yù)應(yīng)力或非預(yù)應(yīng)力扁梁、寬扁梁，大開間平板或壓型鋼板組合樓板等有利于減少樓蓋高度的結(jié)構(gòu)形式。

3.2超高層結(jié)構(gòu)體系選用原則

對于超高層結(jié)構(gòu)，水平風(fēng)荷載和地震作用是控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要因素，豎向荷載所需結(jié)構(gòu)材料的數(shù)量與層數(shù)成線性關(guān)系增加，抵抗水平荷載所需結(jié)構(gòu)材料的數(shù)量與高度成指數(shù)關(guān)系增加。因此，選擇結(jié)構(gòu)體系時應(yīng)選擇最高效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。在選擇結(jié)構(gòu)體系時除了要考慮荷載作用的影響外，還應(yīng)考慮非荷載作用的影響，例如混凝土徐變收縮、溫度變化、地基差異沉降等使結(jié)構(gòu)內(nèi)部變形對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。結(jié)構(gòu)體系選用的基本原則為：結(jié)構(gòu)在豎向重力荷載作用下受力均勻；平面均勻、體型簡單，結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量沿豎向均勻變化，結(jié)構(gòu)有足夠的抗扭剛度。

3.3超高層的材料分析

超高層建筑所選用的結(jié)構(gòu)材料主要為鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)。目前根據(jù)已建的258棟高度250m以上的超高層建筑的材料選用情況統(tǒng)計，混合結(jié)構(gòu)占98.4%，混凝土結(jié)構(gòu)占1.6%，存鋼結(jié)構(gòu)占0%。鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好，施工速度快，但造價高，防火性能差。混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可塑性強(qiáng)，取材方便，維護(hù)成本低，可組合成各種高效的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系。混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是自重大、結(jié)構(gòu)延性差、施工速度慢、結(jié)構(gòu)面積占比大。鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)是采用鋼構(gòu)件與混凝土構(gòu)件相結(jié)合而成的結(jié)構(gòu)類型，這一結(jié)構(gòu)類型能充分發(fā)揮鋼構(gòu)件、鋼與混凝土組合構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件各自特長。混合結(jié)構(gòu)相比鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是用鋼量小、造價低、防火性能好。混合結(jié)構(gòu)相比混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是用面積占比小、施工速度快；混合結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是需要考慮不同材料的協(xié)同工作。總體來說混合結(jié)構(gòu)是超高層材料應(yīng)用的主流。

4超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題分析及對策

4.1扭轉(zhuǎn)問題

在超高成建筑結(jié)構(gòu)中很容易會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的問題，這個問題如果不在設(shè)計的時候處理好就很容易影響整個超高層建筑的結(jié)構(gòu)。在超高層建筑中建筑設(shè)計的核心是建筑的幾何中心、剛度中心以及高層建筑的結(jié)構(gòu)重心，這三個部分共同組成了建筑物的核心。但是在具體的設(shè)計過程中很多設(shè)計師就會忽略將幾何中心、剛度中心以及建筑的重心進(jìn)行重合，因此就會造成因為壓力的問題而出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)問題。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)時在結(jié)構(gòu)受力較大的豎向構(gòu)件的邊緣容易發(fā)生脆性破壞，在水平力尤其是地震力的作用下更先進(jìn)入破壞狀態(tài)，設(shè)計時必須采取有效的加強(qiáng)措施，提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，采取整體調(diào)整結(jié)構(gòu)方案，是結(jié)構(gòu)的平面盡量規(guī)則，讓剛度中心與建筑重心盡量重合，從而減少結(jié)構(gòu)相對偏心距。例如在建筑物四周布置抗側(cè)力構(gòu)件通過調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的布置位置來改善結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。有時單一的增加構(gòu)件截面和剛度并不能改善扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在大震作用下由于構(gòu)件進(jìn)入非彈性階段，剛度大的構(gòu)件承擔(dān)了更多的地震剪力，這些構(gòu)件也會導(dǎo)致脆性破壞。對于處于扭轉(zhuǎn)位移較大處的構(gòu)件，應(yīng)采用混合結(jié)構(gòu)構(gòu)件來提高構(gòu)件的延性，從而來增加結(jié)構(gòu)的安全性能。

4.2受力性能的問題

承受力的問題在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中也是一個比較常見的問題，因為在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中設(shè)計師考慮更多的是建筑的空間結(jié)構(gòu)，對建筑具體的結(jié)構(gòu)特征沒有過多的考慮，因此就會造成建筑承受力性能比較差。如果建筑物的承受力比較的差就會很容易發(fā)生一些意外事故，或者是因為一些外界的天氣環(huán)境問題導(dǎo)致建筑物有所損壞。因此在建筑設(shè)計的過程中應(yīng)該充分的考慮建筑物的向下作用力和建筑物的承受力，然后對設(shè)計方案進(jìn)行不斷的優(yōu)化和完善，減少一些建筑承受力的問題，這樣也能夠大大的提高超高層建筑的質(zhì)量。對建筑物中的每個承重柱子和承重墻都要進(jìn)行細(xì)致準(zhǔn)確的統(tǒng)計，然后再觀看平面設(shè)計圖，保證承重分布的合理性。超高層的結(jié)構(gòu)在分析時應(yīng)選用符合實(shí)際工作情況的計算簡圖來分析，利用空間分析方法進(jìn)行整體分析，且采用2個不同力學(xué)模型的計算軟件進(jìn)行復(fù)核。

4.3超高的問題

由于在超高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中會反復(fù)的修改設(shè)計圖，也正是因為這種情況很多設(shè)計師會忽略超高層建筑物的超高問題。我國對于建筑物的高度問題是有明確規(guī)定的，設(shè)計師在設(shè)計的過程中已經(jīng)對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了修改，所以就沒有在意建筑物的超高問題，因此很多設(shè)計師明明反復(fù)修改了設(shè)計圖還是不能通過相關(guān)部門的審核。想要解決這個問題是一定不能偷懶的，必須要對整個設(shè)計圖進(jìn)行重新設(shè)計，將超高的問題考慮在內(nèi)，這樣才能設(shè)計出符合要求的設(shè)計。

4.4嵌固端的設(shè)置問題

因為超高層的建筑物都非常的高，因此必須要設(shè)計多層的地下室，這樣才能夠很好的保證超高層建筑的穩(wěn)定性，一般超高層建筑物的嵌固端都會設(shè)置在地下室的底端，很多設(shè)計師在設(shè)計的過程中并沒有過多的考慮嵌固端的問題，因此很容易就會為后續(xù)的建設(shè)埋下隱患，從而影響整個超高層建筑的穩(wěn)定性。

4.5基礎(chǔ)設(shè)計

在對超高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的過程中需要對基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計，因為只有保證了最基礎(chǔ)的設(shè)計才能夠順利進(jìn)行后續(xù)的建設(shè)，對于建筑物埋入地下的深度要做出科學(xué)合理的設(shè)計，這樣才能保證超高層建筑物不出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象，這些問題的設(shè)計都是最基礎(chǔ)的設(shè)計。俗話說經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)決定上層建筑，但是在超高層建筑建設(shè)的過程中基礎(chǔ)設(shè)計決定了超高層建筑的建設(shè)。超高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)有效埋深，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、結(jié)構(gòu)高度以及荷載分布情況綜合考慮，從而選擇經(jīng)濟(jì)、合理的基礎(chǔ)方案。超高層建筑一般均設(shè)置多層地下室，確保結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)嵌固端的剛度，避免在水平力作用下地基基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的水平位移影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5總結(jié)

超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個非常復(fù)雜的過程，在設(shè)計的過程中需要考慮很多因素，因為每一個細(xì)小的問題都可能決定超高層建筑的成敗，在設(shè)計的過程中首先要做好基礎(chǔ)設(shè)計，然后針對比較容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行重點(diǎn)的探討。隨著時代的不斷發(fā)展，人們對于超高層建筑物的建筑要求也在不斷的提高，因此建筑設(shè)計師應(yīng)該不斷提高自身的設(shè)計水平，在設(shè)計的過程中反復(fù)的總結(jié)經(jīng)驗，從而對超高層建筑進(jìn)行更好的設(shè)計。

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作者：張百振 范志昂 單位：河南科達(dá)東大國際工程有限公司 中赟國際工程股份有限公司