楊少帆 羅旭
【摘 要】近年來,高層建筑不斷涌現,不僅規模逐漸擴大,形式也日趨多樣,但與此同時也暴露出了一系列弊端,畢竟安全性是建筑工程設計的第一原則,這一點不容置疑,如此一來,其鋼筋混凝土結構設計便得到了廣泛關注和高度重視。對此,本文結合高層建筑鋼筋混凝土結構設計要點,就其設計優化策略進行了探討。
【關鍵詞】高層建筑;鋼筋混凝土結構;設計
隨著城市化建設進程的不斷加快,高層建筑如雨后春筍般大量出現,足以見得其發展空間廣闊,其中鋼筋混凝土結構以其位移小、剛度大、整體性好等優越性逐漸成為其主要的結構形式,但在具體實踐中卻面臨著設計難題,畢竟高層建筑對剛度、強度和穩定性有著極高的要求??梢娞接懜邔咏ㄖ摻罨炷两Y構設計意義重大。
一、鋼筋混凝土結構簡介
混凝土是由膠凝材料水泥、砂子、石子和水,及摻和材料、外加劑等按一定的比例拌和而成。凝固后堅硬如石,受壓能力好,但受拉能力差,容易因受拉而斷裂。(為了解決這個矛盾,充分發揮混凝土的受壓能力,常在混凝土受拉區域內或相應部位加入一定數量的鋼筋,使兩種材料粘結成一個整體,共同承受外力。這種配有鋼筋的混凝土,稱為鋼筋混凝土。鋼筋混凝土粘結錨固能力可以由四種途徑得到:
①鋼筋與混凝土接觸面上化學吸附作用力,也稱膠結力。
②混凝土收縮,將鋼筋緊緊握固而產生摩擦力。
③鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產生的機械咬合作用,也稱咬合力。
④鋼筋端部加彎鉤、彎折或在錨固區焊短鋼筋、焊角鋼來提供錨固能力。
特性編輯混凝土的收縮和徐變(蠕變)對鋼筋混凝土結構具有重要意義。
二、鋼筋混凝土結構特點
1.優點
(1)就地取材。
(2)耐久性、耐火性好(與鋼結構比較)。
(3)整體性好。
(4)可模性好。
(5)比鋼結構節約鋼材。
2.缺點
(1)自重大。
(2)混凝土抗拉強度較低,易裂。
(3)費工、費模板周期長。
(4)施工受季節影響。
(5)補強修復困難。
鋼筋混凝土最主要當然與其材料:也就是鋼筋和混凝土有關啦,其中鋼筋的抗拉強度和混凝土的抗壓強度最重要。另外,施工之中還和天氣的溫度濕度等有關,因為會影響到混凝土的凝結速度。
三、高層建筑鋼筋混凝土結構設計要點
對于高層建筑混凝土結構而言,安全性、適用性和耐久性是其設計原則,而設計要點則主要涉及下述幾點:結構選型要合理,如盡量在設計中減少短肢剪力墻結構的應用;若地基穩固,且上部結構與變形限值相吻合,可盡量降低結構剛度;建筑高度設計必須在與之對應的規定范圍內,以減少不必要的麻煩和損失;同時注意從抗震等級、平面布置、樓蓋結構、豎向布置等多方面、多角度加以分析和設計,如綜合考慮房屋類型、結構、高度、烈度等因素優化抗震設計[1];盡量選用風力效應小、規則簡單、受力分布均勻的平面形狀;優先考慮現澆樓蓋結構,以提高高層建筑的舒適性和堅固性等。
四、高層建筑鋼筋混凝土結構設計優化
1.重點優化豎向結構設計
高層建筑鋼筋混凝土結構的豎向設計質量對整個建筑來說尤為關鍵,故為防止出現較大的內收和外挑,建議盡量使其保持均勻和規則,就是從穩定和重心角度出發,將其設計為側向變化均勻且上小下大的結構形式。但若高層建筑豎向結構既不垂直,也非正常的上小下大型,則要采取針對性設計措施以平衡、穩定整體。如針對內收豎向結構的高層建筑,其樓層的側向剛度既要大于上一樓層剛度的70%,也要大于上三個相鄰樓層平均剛度的80%;若樓層質量是隨著高度變化而均勻分布的,則樓層質量應小于下方相鄰樓層質量的1.5倍等。此外樓層間的受剪承載力應根據高層建筑級別加以合理設計。
2.合理設計建筑結構平面
若對高層建筑鋼筋混凝土結構設計無特殊要求,則要盡量選用形狀規則而簡單的平面布置結構,以此合理分布承載力和剛度,并弱化風力影響。如對于A級高層建筑而言,不適宜將其設計為細腰形或角部重疊式的平面圖形,而且出于對扭轉的考慮,必須將豎向構件水平和層間最大位移控制在該樓層平均位移值的1.2倍和1.5倍之內[2];對于必須設計的框架結構防震縫,其縫寬、高度通常分別大于100mm和小于15m;若防震縫兩側具有不同的房屋高度,則要根據低高度房屋確定縫寬;雖然不提倡采用短肢剪力墻,但若不得不采用,則必須使其截面厚度低于30cm,且每個肢截面的高厚最大比值必須處于4-8之間。
3.規范建筑抗震性能設計
抗震設計是高層建筑鋼筋混凝土結構的關鍵環節之一,為切實提高建筑結構的穩定性和抗震能力,就必須對房屋結構、高度、烈度等要素加以認真分析,并結合建筑抗震規范要求設計抗震功能。一般情況下,若建筑結構具有較大的剛度突變系數或層數較多,應盡量多取振型數,如針對含有轉換層、小塔樓、多塔結構的高層建筑,其振型數一般要大于12,小于建筑層數總數的3倍,而且只有在分析總剛性時方可取值更大;同時為提高建筑抗震能力,要求在石灰和水泥中添加合適的添加劑,結合濕度養護,以增強混凝土的實際配筋率,并減少部件變形;如果要求高層建筑抗震水平為特一級,則宜采用鋼管或型鋼類混凝土柱,并將其上層彎矩和底部強化位置的設計值設計為墻底截面彎矩值的1.1倍。
五、結束語
總之,鋼筋混凝土結構既是高層建筑設計工作的重點,也是難點,一旦某個環節有誤,都可能對整個高層建筑功能性能埋下隱患,這就要求我們認真遵循設計原則和規范,加強對以往設計不足和缺陷的分析,并予以有效克服和避免,以此提高高層建筑鋼筋混凝土結構設計質量和水平,使其更安全、更適用、更耐用。
【參考文獻】
[1]張濤,于洪斌.論鋼筋混凝土高層結構設計常見問題[J].才智,2010;
[2]崔立成;鋼筋混凝土高層結構設計中的幾個問題[J];中國新技術新產品;2010年01期;
[3]張嵐.對高層建筑鋼筋混凝土結構設計實踐的分析[J].廣東科技, 2012(22);
[4]董良鳳.淺談高層建筑混凝土結構的優化設計[J].福建建筑,2011(01)。