钢筋混凝土高层结构设计几个常见问题分析

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  摘要:随着我国经济的快速发展,人们对于建筑的要求越来越高,其建筑类型与功能也越来越复杂,结构体系也变得更加的多样化,因此对于建筑结构设计的要求也随之增高。如何准确、搞笑的对建筑结构体系进行分析,已经成为结构工程师在对高层结构设计时亟待解决的重要问题之一,并且建筑结构的设计关系到建设工程的美观实用、保证安全可靠、控制造价以及方便施工等诸多方面,由此可见控制结构设计的质量是相当有必要的。本文就以钢筋混凝土高层建筑结构设计中几个常见的问题进行详细的阐述。
  关键词:高层建筑;钢筋混凝土;结构设计;常见问题分析
  Abstract: with the rapid development of our economy, people more and more high to the requirement of construction, the building type and function also more and more complex, structural system have become more diversified, so for the structural design of buildings has been increased. How accurate and funny analysis of building structure system, has become a structural engineer in the high-rise structure design is one of the important problems to be solved, and the design of building structure is related to the construction of beautiful and practical, to ensure safe and reliable, control cost and convenient construction and so on many aspects, thus control the quality of the structure design is very necessary. In reinforced concrete tall building structure are presented in this paper several common problems in the design of a detailed in this paper.
  Key words: high-rise buildings; Reinforced concrete; Structure design; Common problem analysis
  中圖分类号:TU37文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)
  
  
  钢筋混凝土高层结构设计首先要从建筑物的竖向和平面结构、柱和梁板、抗震等级、地基结构等多个角度进行设计。同时还要严格的按照国家相关的法规规定执行,在确保钢筋混凝土高层建筑质量和使用安全的同时,还要保证其建筑手段和设计具有较强的科技性和实用性,以及经济的合理性。因此对于这项复杂并且科技含量较高的工作,设计者在通过合理的设计使高层建筑达到高质量的同时,还要保证和满足人们居住的舒适性要求,这也是我们建筑工作者共同努力的方向。下面就对钢筋混凝土高层结构设计中几个常见的设计问题进行简单详细的分析。
  一、钢筋混凝土高层结构设计主要的常见问题
  19世纪以来,高层结构设计技术发生了天翻地覆的变化,在这其中既有建筑材料的变化,也有施工技术和建筑体系方面的进步,这三者之中发展最为迅速、革新速度最快当属建筑材料,其中以钢筋混凝土为例,因其造价低、资源丰富、强度高等优点被广泛的应用于建筑行业,但是在实际工程的操作过程中,钢筋混凝土高层结构的设计又会遇到各种问题的阻碍,下面就对钢筋混凝土高层结构设计的几个常见问题进行一一的阐述。
  (一)高层建筑结构受力方面
  在建筑设计的方案阶段,必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。对于低层、多层和高层建筑,竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的。但是,随着高度的不断增加,竖向结构体系成为设计的控制因素。与竖向荷载相比,侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的,而是随建筑高度的增高迅速增大。在高层建筑中,问题不仅仅是抗剪,而更重要的是整体抗弯和抵抗变形,由此可见,高层建筑的结构受力性能与低层建筑之间的差异。
  (二)基础结构及埋深方面
  1、基础埋深问题
  基础必须要有一定的埋深,基础埋置的深度一般指从室外的地坪到基础底面的距离。比较独立的高层建筑基础埋深比较容易确定,但是目前的高层建筑大多都与地下式的车库相连接,如果地下车库基础是采用筏板基础或设有防水底板的独立基础时,钢筋混凝土高层建筑的基础满身一定要从室外的地坪开始计算,此时的高层建筑的地下车库顶板和地下室的顶板应按嵌固层要求来进行严格的设计,高层建筑体的地下式车库必须要有足够的侧向高度来作为建筑体的侧限。如果上述条件难以满足时,高层建筑体的基础埋深则要从地下车库的地面来开始计算,一般而言高层建筑体通常都通过设地下室来对埋深条件进行满足,这样的优势主要有以下几点。
  1.1把地基的承载力提高
  如果高层建筑所采用的是天然地基,那么地基的承载力则可以进行修正,随着基础地基的增加,修正后的地基承载力也在不断的增大,也就达到了高层建筑对地基承载力的要求。
  1.2对高层建筑上部结构的整体稳定比较有利
  钢筋硷墙是高层建筑地下室外墙的通用形式,地下室顶板的厚度最好在160mm 以上,地下室就具有了很大的层间刚度,另外地下室的外墙周围的边土也提供了很大的侧向刚度与约束,所以这样有助于高层建筑体上部结构的整体稳定与协调结构整体出现变形,也有利于对地基不均匀与沉降进行调整。
  如果高层建筑体的地下室顶板作为结构底部嵌固层必须要在约束结构底部的平动和转动上发挥作用,所以下列条件必须满足。
  (1)高层建筑体的地下室顶板和室外的高差要控制在1/3层高内,不能过大。
  (2)高层建筑体的地下室楼层的剪切刚度应至少是是相邻上部结构楼层剪切刚度2倍以上。
  2、基础结构设计问题
  为保证构件延性,按照《无粘结预应力砼结构技术规程》梁内配置适当普通钢筋。耐火极限为两小时,无粘结预应力筋的保护层厚度不小于40mm。目前的短肢剪力墙体系高层由于考虑埋置深度的要求,一般均设置地下室。基础则采用桩筏基础。如何对桩进行合理选型,将对整个地下室设计的经济性产生重要影响。而对于筏板厚度的取值,则应考虑桩冲切,角桩冲切,墙冲切及板配筋等多方面的因素。另外,筏板长度的设置也须我们研究探讨,由于考虑地下室的使用合理性,常规我们采用设置后浇带来解决底板超长引起的收缩及温度裂缝,后浇带的作用是明显的,但也给施工带来了不少麻烦,甚至由于处理不当而引起后浇带漏水及裂缝。
  (三)结构平面设计
  通常来讲,对于高层建筑,除了特殊的设计需求之外,高层建筑不宜采用特别不规则的平面布置,应该追求形状简单、规则,尽可能的使刚度和承载力分布均匀。对于抗震等级不同的建筑,其平面尺寸及突出部位尺寸的比值都有适宜的范围,同时不宜采用角部重叠的平面图形即细腰型平面。一般在设计时,应该注意;
  1、结构平面布置应减少扭转的影响,其中最重要的是在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下,楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移,应符合如下规定:A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.5倍;B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.4倍。
  2、抗震设计时,高层建筑应尽量调整平面形状和结构的布置,避免设置防震缝。当无法避免而必须设置防震缝时,对于框架结构来说,高度不超过15m时,缝宽不应小于100mm,当超过15m时,应根据不同的烈度每增加不同的高度,宜加宽20mm。在确定防震缝的宽度时,如果缝两侧的房屋高度不同,那么防震缝的宽度应该按照较低的房屋高度确定。
  (四)竖向结构设计
  由于属于高层建筑,所以竖向结构对于高层建筑来说,显得尤为重要,他直接影响到整体建筑的质量。高层建筑的竖向应该尽可能的规则、均匀,避免有太大的外挑和内收。为了保持重心稳定,整个建筑体的竖向结构应该是下大上小的形状,同时变化也应该是逐渐的。假如竖向结构不是垂直的或者不是正常的下大上小型结构形状,这时需要外加单独的设计来满足建筑物的整体平衡,维持稳定。对于竖向内收型的建筑物,从抗震角度出发,楼层的侧向刚度不宜小于相邻上一层的70%,也不宜小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%。A 级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%,不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%;B 级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。楼层质量沿高度宜均匀分布,楼层质量不宜大于相邻下部楼层质量的1.5 倍。
  (五)柱、梁、板的设计
  高层建筑,如果地上为圆柱时那么地下部分需要改为方柱,这样便于施工的进行。圆柱钢筋的根数最少为8根。纵筋宜采用大直径、大间距,但间距不宜超过200,柱断面不宜小于400×400,混凝土不宜小于C25。对于异型柱的结构,梁纵筋每排的数量不可以太多,柱端部纵筋不宜过于密集,否则会造成节点混凝土浇注困难。柱应该尽量避免使用短柱。除此之外,还要考虑竖向的地震作用,柱子的轴压比及配筋需要留有一定的余地。对于梁的设计,一般梁上有次梁处应该设附加箍筋,附加箍筋一般都要有。当主次梁截面相差不大,次梁负载较大时,需根据计算确定增设附加箍筋和吊筋的数量。当主梁高度高,次梁截面小时,主梁可以不加附加箍筋,所以要根据具体的情况分析之后确定是否需要加附加箍筋。
  板部分的设计,应该考虑板的钢筋间距。为便于施工钢筋宜采用大直径大间距,但小直径小间距对控制板的裂缝有利,所以应根据实际情况而定。一般受力筋间距取70mm至200mm。对于人防顶板上下钢筋间距宜相等,直径可以不同,这样方便设置拉筋。相连房间的同型号同间距板底钢筋可以相通。
  (六)配筋结构设计
  剪力墙墙体配筋(以200厚墙体为例)一般要求水平钢筋放在外侧,竖向钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可。建议加强区Φ10@200,非加强区Φ8@200 双层双向即可,双排钢筋之间采用Φ6@600x600 拉筋。但地下部分墙体配筋则另当别论。因为地下部分墙体配筋大多由水压力,土压力产生的侧压力控制,而由于简化计算经常由竖向筋控制,此种情况下为增大计算墙体有效高度,可将地下部分墙体的水平筋放在内侧,竖向钢筋放在外侧。
  (七)楼盖结构设计
  高层建筑的楼盖结构,也影响着高层建筑的整体质量。很多公司基于成本控制的考虑,通常选择楼板预制件,这样会加大建筑物抗震风险。国家规定,高层建筑高度大于50时,框架- 剪力墙结构、筒体结构以及复杂高层建筑结构应该采用现浇楼盖结构,剪力墙结构和框架结构宜采用现浇楼盖结构。混凝土强度等级不可以低于C20,但是也不应该高于C40。
  (八)抗震等级设计
  高层建筑更应该重视抗震等级的合理设计,抗震设计时,高层建筑钢筋混凝土结构构件应根据抗震设防分类、烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级,并应符合相应的计算和构造措施要求。
  二、提高高层建筑结构设计质量的措施
  (一)运用结构设计概念,进行结构优化
  概念设计是结构工程师一项不可或缺的基本功,正确的概念设计好比是选择了一条正确的道路,是结构设计合理、安全、经济的前提,它贯穿于工程设计的全过程。概念设计必须通过深厚的基础理论、对结构原理和力学性质的深刻理解和长期而丰富的工程经验积淀而成。结构工程师只有具备高水平的概念设计,才能完成高水平的设计成果。
  计算中,要充分考虑满足技术条件的经济性。不能随意加大配筋量或加大构件的截面,要始终牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压弱拉原则”,注意构件的延伸性能,加强薄弱部位,注意钢筋的锚固长度,尤其是钢筋的直线段锚固长度,考虑温度应力的影响。除此之外,还应注意按均匀对称规整原则考虑平面和立面的布置,综合考虑抗震的多道防线,尽量避免薄弱层的出现,以及正常使用极限状态的验算等等,这一点要作为我们的设计理念之一来重视。在结构设计中还需注意考虑优化设计。从结构选型、布置、分析计算、截面设计到细部处理的整个设计过程中,综合考虑各方面因素,确定合理的分析、处理方法,力求得到最为经济合理的结构设计方案。
  对于高层建筑,起控制作用的已不再是竖向荷载,而主要是风和地震作用的水平荷载。这时在建筑初步设计阶段就应该开始介入探讨其平面和竖向布置的合理性。各个受力构件的布置要全面考虑它可能承受的各种荷载。竖向承重构件不仅是将竖向荷载传递到基础上,同时还要承受风和地震等水平荷载,有时还有温度应力。因此,布置时还要注意将它放在有利于承受水平荷载和温度应力的位置。除此之外,还要考虑楼板刚度是否满足整体工作的要求,对剪力墙间距进行限制。水平承重构件的布置同样也要考虑多方面的因素,力求传力路径简洁,以最快的方式将楼面上的荷载传递到主梁上,再由柱、剪力墙等传递到基础、地基。地基基础中地基土的不确定性很强,至今还没有哪个模型能够对其作精确的描述。因此,在地基基础的设计中,更需要根据基本理论知识以及丰富的实践经验,分析、预见可出现的各种问题,从而找到最合理的处理方案。
  (二)加强抗震设计的理念
  高层建筑在承担必要的建筑物垂直荷载以外,更为重要的是要能有效承受侧向风荷载及地震的冲击。高层建筑结构之抗侧力刚度在高度的方向上在每一层均存在变化,所以,在建筑物的多层之间,将会出现部分相对薄弱的层面,这也是侧向变形与应力的集中之处,因而在建筑物结构设计时要全力避免。在高层建筑的设计中,应当努力减少各相邻层面间的刚度偏心矩之变化。比如,我国目前的抗震设计规范,对与建筑物的抗震提出三大水准之设防要求、两阶段的设计方式,其中,第一阶段之设计应当运用第一水准烈度之地震动参数,从而计算出建筑结构在弹性状态之下的地震效应及构件的截面大小。在第二阶段的设计中,应当采用第三水准烈度之地震参数核算结构薄弱层,或者对薄弱环节弹塑性层间进行侧向位移或转角,从而使设计小于规范所规定之限值。
  (三)正确运用计算机辅助设计
  当前,计算机辅助设计系统在建筑设计领域被广泛应用,工程师在计算机上进行结构分析工作,用计算机辅助完成大部分的图纸设计,因此了解计算机程序的功能、正确使用设计软件直接影响到结构设计的水平。随着建筑业的发展,建筑物规模越来越大,形式也日趋复杂,使得建筑结构设计的内容增多,难度增大,这就要求设计人员了解所使用软件的特点和适用范围,熟悉和掌握各项参数的选取条件,真正做到计算机为人服务,为工程设计服务。
  结束语
  钢筋混凝土高层作为现代化城市发展的一种客观成果,引领者我国建筑行业的整体发展水平。在设计方面,钢筋混凝土高程结构一定要考虑到各种潜在因素,纪要让建筑物外观美观大方,也要注意建筑的安全性能,毕竟后者是所有建筑的立足之本。因此做好相关的基础工作,是保证钢筋混凝土高层建筑工程质量的重要前提条件。
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