建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
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摘要：高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)是較為常見的材料。在一些超高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用了大礦井的混凝土結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用后期會出現(xiàn)位移一級變形等問題。分析高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，了解關(guān)鍵參數(shù)，可以為高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考與支持。
關(guān)鍵詞：高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性設(shè)計
混凝土結(jié)構(gòu)是建筑工程中較為常用的結(jié)構(gòu)形式，多數(shù)狀況之下混凝土與鋼筋是主要的材料。混凝土結(jié)構(gòu)具有較為優(yōu)異的性能，加強(qiáng)對混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析直接影響建筑工程整體質(zhì)量。
1高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)類型分析
高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)主要可以分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)以及新型結(jié)構(gòu)、智能建筑結(jié)構(gòu)幾種不同的類型。
1.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要通過鋼筋以及混凝土構(gòu)成，通過鋼筋混凝土建造主要包括了大模板現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)以及薄殼結(jié)構(gòu)、應(yīng)用滑模、升板等相關(guān)構(gòu)造的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，是主要的承重構(gòu)件。此種類型的結(jié)構(gòu)整體性良好，具有耐高溫、位移較小，成本較低以及剛度較大的特征。隨著混凝土增強(qiáng)材料技術(shù)在不斷的發(fā)展，鋼筋混凝土以及鋼混凝土等高強(qiáng)度的混凝土技術(shù)手段在不斷的發(fā)展，在多數(shù)的高層建筑結(jié)構(gòu)中廣泛地應(yīng)用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
1.2組合結(jié)構(gòu)
組合結(jié)構(gòu)就是鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)與組合砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)成。組合結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的差異性。相對于混凝土結(jié)構(gòu)來說，可以有效地節(jié)約建筑施工需要的成本，其科技含量較高，組合結(jié)構(gòu)中將混凝土填充在結(jié)構(gòu)之中，可以有效地提升整體的承載能力，可以節(jié)省鋼材。組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍較為廣泛，在高層建筑結(jié)構(gòu)等諸多行業(yè)中廣泛應(yīng)用。
1.3新型結(jié)構(gòu)
高層建筑結(jié)構(gòu)體系中剪力墻體系以及框架體系是較為常見的類型。新型的結(jié)構(gòu)體系可以分為筒中筒體系、框筒體系以及束筒體系三種類型。相對于傳統(tǒng)的單片平面結(jié)構(gòu)體系，新型的結(jié)構(gòu)體系中具有較強(qiáng)的抗側(cè)剛度，其承載力更大。在高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用功能較為全面，應(yīng)用范圍較為廣泛。
1.4智能建筑結(jié)構(gòu)
智能化建筑結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用相對較少，是一種融合高新技術(shù)產(chǎn)品的建筑結(jié)構(gòu)。在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，人們的生活水平在不斷地提高，這些建筑結(jié)構(gòu)在不斷地完善，建筑系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)體系以及服務(wù)管理在不斷地完善優(yōu)化，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有效的技術(shù)支持。
2高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要點
2.1項目概述
陜西省某地某25層高層住宅樓建筑設(shè)計施工中，要綜合建筑結(jié)構(gòu)特征以及實際狀況合理分析設(shè)計。建筑結(jié)構(gòu)面積為18998.92m。地上建筑面積約為18308.89m。地下建筑面積約為690.03m。建筑層數(shù)：地上25層建筑結(jié)構(gòu)，地下1層建筑結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)的總高度為77.70m。在此住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要根據(jù)國家規(guī)范要求與標(biāo)準(zhǔn)，綜合各項標(biāo)準(zhǔn)要求合理設(shè)計分析。在此項目設(shè)計過程中，要綜合實際狀況，進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，科學(xué)合理的選擇分析。
2.2優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)選型
2.2.1建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性
新建筑規(guī)范以及舊建筑規(guī)范對比，針對高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則要求對其進(jìn)行重大的調(diào)整，新建筑規(guī)范限制條件在不斷地完善，其主要包括建筑嵌固端上下層剛度以及平面規(guī)則性等因素。在這種狀況之下，建造師要根據(jù)規(guī)范要求對其進(jìn)行高層建筑設(shè)計分析，避免在后續(xù)出現(xiàn)施工問題。
2.2.2加強(qiáng)對建筑超高控制
現(xiàn)階段國家對于建筑結(jié)構(gòu)的總高度進(jìn)行了嚴(yán)格的限定，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中在原有A級限制高度之外也新規(guī)范增加了B級高度要求。如果建筑高度達(dá)到了B級以及以上，在設(shè)計方案以及處理手段上來說均會出現(xiàn)不同程度的改變，因此在設(shè)計過程中要對其系統(tǒng)分析。
2.3嵌固端位置設(shè)計
高層建筑一般狀況之下會添加人防結(jié)構(gòu)以及地下室結(jié)構(gòu)，在人防頂板以及地下室頂板上設(shè)置嵌固端。嵌固端的位置對于高層建筑結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同程度的影響，在設(shè)計過程中如果忽略此問題則會導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)細(xì)節(jié)問題。例如，在嵌固端的上下層剛度設(shè)計過程中，要分析限制范圍、嵌固端樓板設(shè)計以及結(jié)構(gòu)縫位置是否協(xié)調(diào)，要分析上下層的抗震等級是否一致等問題，加強(qiáng)細(xì)節(jié)分析與設(shè)計，合理的大量設(shè)計變更分析，對建筑結(jié)構(gòu)安全結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析，合理設(shè)計。
2.4短肢剪力墻在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用
新建筑規(guī)范中要保障短肢剪力墻符合設(shè)計要求，限制了高層建筑設(shè)計的短肢剪力墻的應(yīng)用。在設(shè)計過程中要避免在高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用短肢剪力墻，避免因為設(shè)計不規(guī)范導(dǎo)致其出現(xiàn)各種問題與不足。
2.5高層建筑結(jié)構(gòu)平面布置分析
在布置高層建筑結(jié)構(gòu)平面圖的時候要降低扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響，同時要綜合在地震等自然災(zāi)害的影響之下出現(xiàn)的偶然偏心因素，通過科學(xué)的方式進(jìn)行樓層豎向構(gòu)建層間位移、水平位移的評估分析，在評估過程中要分析建筑結(jié)構(gòu)的層次。在高層建筑為A級的時候，位移量要控制在樓層平均數(shù)值的1.2倍范圍之內(nèi)，其最大不得超過1.5倍，在高層建筑屬于B級高度以及混合性結(jié)構(gòu)的時候，位移量最大則要避免高于樓層平均值的1.2倍。
進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)平面設(shè)計過程中，要綜合建筑結(jié)構(gòu)的抗震性，保障高層建筑結(jié)構(gòu)布置、平面形狀等符合規(guī)范要求，根據(jù)實際狀況進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。避免出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。在一般狀況之下高層建筑無須設(shè)置防震縫，如果建筑平面的形狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，或者無法調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)布置以及平面形狀，就要根據(jù)實際狀況合理地進(jìn)行防震縫的設(shè)計分析，通過防震縫隙進(jìn)行單元結(jié)構(gòu)的劃分處理。
2.6高層建筑結(jié)構(gòu)豎向布置分析
高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中，豎向結(jié)構(gòu)會直接影響建筑結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。高層建筑進(jìn)行豎向設(shè)計分析過程中，要保障建筑結(jié)構(gòu)整體的均勻性與規(guī)則性，如果沒有特殊性的要求，則要避免出現(xiàn)內(nèi)收與外挑的設(shè)計。要綜合建筑重心以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等因素，根據(jù)上小下大的基礎(chǔ)原則合理地進(jìn)行建筑豎向結(jié)構(gòu)的合理布置，建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中要保障其側(cè)向變化的均勻性、緩慢性。
如果建筑結(jié)構(gòu)的豎向結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，則要對其系統(tǒng)分析，避免其對建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。如果建筑結(jié)構(gòu)的豎向結(jié)構(gòu)為內(nèi)收結(jié)構(gòu)，在設(shè)計過程中為了滿足高層建筑的抗震性需求，就要保障樓層的側(cè)向剛不不低于臨近上下樓層的側(cè)向剛度的70%，或者不低于鄰近3層側(cè)向剛度平均值的80%，如果高層建筑結(jié)構(gòu)位于樓層上部的時候，樓層縮進(jìn)位置與室外地面高度、建筑整體高度比值高于0.2，保障樓層上部縮進(jìn)之后長度的樓層下部長度要高于75%以上。
2.7高程建筑混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計
2.7.1臨界荷重
在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)中會存在諸多的懸臂桿，懸臂桿主要可以分為剪切型、彎曲型以及彎剪型幾種類型。剪切型在失穩(wěn)的正常狀況之下會導(dǎo)致整個樓層出現(xiàn)不同程度的失穩(wěn)狀況。而純框架類型的梁以及柱會因為雙曲率彎曲而導(dǎo)致其出現(xiàn)不同程度的側(cè)位移狀態(tài)，這樣就會導(dǎo)致樓層出現(xiàn)失穩(wěn)等問題。彎曲型的懸臂桿可以通過歐拉公式計算分析獲得其臨界荷重。
2.7.2高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)臨界荷重確定
一般應(yīng)用的結(jié)構(gòu)構(gòu)建要通過荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合分析，綜合長期作用產(chǎn)生的影響驗算分析，保障變形、裂縫等數(shù)值不會高于規(guī)定的最大限度。通過分析混凝土材料、鋼筋實際的測量強(qiáng)度以及兩種材料的實際配筋率以及結(jié)構(gòu)構(gòu)建對應(yīng)的界面集合實測值則可以確認(rèn)實驗數(shù)值，分析結(jié)構(gòu)上的荷載可以根據(jù)時間變異性不同將其劃分為永久荷載、可變荷載以及偶然荷載三種類型，荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值分析。
2.7.3荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值分析
不規(guī)則結(jié)構(gòu)的豎向控制較為關(guān)鍵指標(biāo)就是剛度比。剪切剛度則主要就是對底部大空間一層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計評判分析，剪切剛度主要就是通過對底部為大空間且屬于多層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷分析。樓層層間的位移數(shù)值可以判定混凝土結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，同時此種方式也是剛度比計算中較為普遍的缺省方式，在實踐中要綜合實際狀況進(jìn)行針對性的控制分析，避免剛度突變等問題，如果出現(xiàn)薄弱層則就要強(qiáng)化分析。抗震等級以及軸壓比限制也是關(guān)鍵因素。在實踐中要合理地進(jìn)行框架柱軸壓比設(shè)定限制分析，提升抗倒塌能力，增強(qiáng)塑性變形能力，避免受到地震力的影響而出現(xiàn)不同程度的破壞與影響造成框架柱出現(xiàn)破壞與損壞等問題。剪重比設(shè)計過程主要對各個樓層中地震潛力最小數(shù)值合理分析，避免其受到地震作用的影響。
3結(jié)語
高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中穩(wěn)定性是較為關(guān)鍵的因素，根據(jù)實際狀況了解關(guān)鍵參數(shù)，制定有效的方案可以在根本上保障建筑混凝土的穩(wěn)定性，保障其滿足內(nèi)在的設(shè)計要求與需求。
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作者：楊衛(wèi)東 單位：陜西建工第九建設(shè)集團(tuán)有限公司
