摘要:随着城市化的发展,城市建筑用地紧张的问题越发突显,因此,城市的高层、超高层建筑越来越多,对结构设计的要求和难度也越来越大。对高层建筑结构设计的要点进行分析,结合当前设计中存在的常见问题提出具体的应对措施,希望在实际结构设计中能有所帮助。
关键词:高层建筑;结构设计;要点
引言
高层建筑物的出现,极大地改善了城市人群的居住环境,也有效地丰富了城市建筑物的类型。在高层建筑结构设计的过程中,不仅要满足建筑物本身的各种特性,还要结合具体的使用目的、环境安全进行专业有效的设计,并对结构内部的各个要点进行可靠设计,以最大化地满足高层建筑的优势发挥。
1高层建筑结构设计的特点
高层建筑与低层、多层建筑在进行结构设计时即有共同点,也是有区别的。无论高层还是多层就是都要抵抗由恒、活荷载产生的竖向作用及风、地震荷载产生的水平作用,有时也需要抵抗基础不均匀沉降、温度荷载等产生的内力;但是当把建筑看作是嵌固在地面的刚度和质量均有的悬臂梁模型分析时,可以发现轴力与建筑高度为一次方关系,弯矩与建筑高度是二次方关系,主要控制指标结构水平位移与建筑高度却成四次方关系;另外从用钢量和建筑高度的关系看,用钢量在竖向荷载作用下与建筑高度基本为线性关系,但水平荷载作用下,用钢量的增加速度往往超过建筑高度的增加速度,是非线性的,所以低、多层建筑主要抵抗竖向荷载作用,但随着建筑高度的增加,高层建筑、超高层建筑水平荷载比竖向荷载对结构的影响更明显,也成为主要控制因素,这是高层建筑最显著的特点。
2高层建筑结构设计中存在的问题
2.1设计中计算简图使用问题
在高层建筑进行结构设计的过程中,存在着计算简图不准确的现象。高层建筑的建筑高度很高,相比多层建筑需要进行更严格的设计与计算,结构本身需要承受更多的荷载,但是在部分高层建筑物的结构设计过程中,对建筑物承受的外力计算不准确,不能合理地将各种外力影响因素进行分析、计算,计算简图与实际建筑物的结构体系有偏差,造成整体建筑物的结构计算结果有误,影响高层建筑物的施工和使用安全。
2.2高层建筑的超高引起的建筑高宽比问题探讨
随着我国建筑物高度的不断增加,高度超限问题是目前高层建筑结构设计中普遍存在的问题,通常高层建筑由于建筑场地及建筑功能的限制,建筑平面尺寸一般不大,主要控制指标建筑位移与建筑宽度的三次方成反比,与建筑高度的四次方成正比,底部倾覆力矩是建筑高度的二次方,所以增加建筑宽度,减少建筑高度,控制高宽比对高层建筑结构设计的经济性的提高是非常有利的。当建筑高宽比无法改变的情况下,当高宽比不大于2时,此时结构为剪切变形,此时建议增加剪力墙抗侧构件的作用;当高宽比为2~5时,此时结构为弯剪变形,此时建议平衡框架和剪力墙之间的比例,适当加大外围框架的作用;当高宽比大于5时,结构为弯曲变形,此时需要增加外围框架的刚度,通过外围框架剪切变形来协调剪力墙弯曲变形顶部位移大所带来的影响。
2.3建筑结构设计抗滑移与抗倾覆的验算问题
设计阶段必须准确计算建筑物的抗滑移及抗倾覆稳定性,确保建筑物的安全,可在方案阶段根据地形坡度设置独立重力式挡土墙及阶梯型半地下室,形成“类卸荷平台”作用,可减少土推力对建筑物的影响。在设计过程中,除常规验算土推力对建筑物的整体稳定性的验算外,对于高层及超限高层建筑还需进行大震作用下的基底剪力与地震工况下的土推力的合力对建筑物整体稳定性的验算,风荷载工况作用下的基底剪力与土推力的合力对建筑物整体稳定性的验算。
2.4设计中结构抗震问题
我国全部地区都需进行抗震设防,尤其是高层建筑物一旦出现问题,将产生不可估量的人身财产损失。
在当前的结构设计中,存在对抗震结构设计不够重视的现象,往往在设计时的结构模型与实际施工时存在一定的误差,并不能很好地发挥出高层建筑抗震的效果。
3高层建筑结构设计要点的分析
3.1对计算简图合理使用
在高层建筑结构设计过程中,要善于合理地应用计算简图。计算简图指用一个简化的图形代替实际结构,反映实际结构的主要性能。高层建筑结构体系比较复杂,很难凭空想象结构的受力、传力模式,而如果能熟练地使用计算简图,就能在设计之初,对整体结构有相对明确的把控,对下一步精细设计进行完善的准备,虽然是计算简图,但是各种设计的要素和重点应全部涵盖,要保证从实际出发,真正地适用于该结构,以便于后期更好地进行对比和计算。另外,在计算过程中,要对各种影响计算结果的因素进行分析,对这些影响因素可能产生的影响进行预测和计算,尽可能地准确,保证将影响因素的作用降到最低,发挥出计
算简图的作用。
3.2基础的设计要点
地基作为建筑结构的基础,对建筑活动起到了重要的作用。其对工业建筑而言,具有一定的特殊性,由于工业建筑基础的投资通常比较大,需要用的厂房占地面积也比较广,并且通常工业建筑的建设区域都属于郊区,周围的环境和地质情况都比较复杂,因此在开展工业建筑的基础设计时,应该依据实际情况,运用多种地基的设计形式。例如,负荷较大的区域可以采用桩基或弹性地基等,由于工业建筑的输送皮带支架通常采用底部铰接的方式,而传给基础的只有剪力与轴力。因此,在基础的设计中,通常利用柱下独基设计,采用独立基础的设计,这就必须根据实际需求合理的选择混凝土标号,同时也应该充分考虑混凝土的耐久性,在独立基础的交接部分采用钢筋进行设定,确保宽度的合理性。在砌体结构设计中,应该结合实际需求适当增加基础的宽度。
3.3对结构抗震进行合理设计
3.3.1合理选择建筑位置
要注意对建筑物的建筑位置进行合理的设计。首先,要对建筑物所在城市的地震情况进行详细的了解,对地震带的分布进行必要的勘测,在选择建设高层建筑的过程中,不能将高层建筑物设计在地震断裂带的位置,这样会增大高层建筑物的安全风险。要选择在相对稳定,且地震影响较小的位置进行高层建筑物的设计。其次,要对高层建筑物的具体设计区域进行地质勘测,由于高层建筑物在长期的使用过程中,会对地层产生一定的沉降问题,要选择有资质的专业地勘单位对土层情况进行检测,避免高层建筑在后期的施工和使用过程中,出现大面积不均匀沉降现象,影响整个结构的安全和稳定,也限制了抗震结构的合理设计。
3.3.2减隔震设计应用
在抗震结构设计过程中,传统方法是通过增强结构本身的抗震性能(强度、刚度、延性)来实现,这也是目前结构抗震设计的主要模式,但是随着科技的进步,对于一些对抗震安全性和使用功能有较高要求的建筑,还可采用隔震和消能减震设计。在建筑物的基础部位进行隔震支座的设计,可有效地延长结构的自振周期,减少结构的水平地震作用。大量的试验和国内外的工程经验表明:采用了隔震技术的结构,水平地震加速度降低了60%,极大地提高了结构的地震安全性。但值得注意的是,在使用隔震技术时,也要考虑适用范围,并不是所有建筑都可使用,有时可能会适得其反。比如场地土本身就较软的情况,如果使用隔震延长了结构自振周期,导致场地卓越周期与结构基本周期更加接近反而不利于结构安全。
结束语
以上就是对高层建筑结构设计中存在问题的分析,高层建筑结构设计涉及的方面很多,存在的问题也很多,随着社会的进步和建筑技术的不断发展,高层建筑也越来越多,希望本文能对高层建筑结构设计提供一定帮助。
参考文献:
［1］刘萍．浅析高层民用建筑结构设计的要点常见问题［J］．居舍,2017,(29):141．