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混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

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混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性原則,亦是以設(shè)計(jì)使用年限為依據(jù),使該建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在預(yù)定年限范圍內(nèi),始終可以達(dá)到對(duì)內(nèi)部與外部各項(xiàng)荷載力的有效承受,即使遭遇某些偶然的破壞性事故,也要能夠使自身結(jié)構(gòu)控制在整體穩(wěn)定的狀態(tài)中,避免出現(xiàn)大范圍的結(jié)構(gòu)性損害。高層建筑的耐久性設(shè)計(jì)原則,是指建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須在規(guī)定的使用年限內(nèi),維持足夠的結(jié)構(gòu)耐久性,比如,混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫寬度不得超出允許的范圍,且鋼筋保護(hù)層的厚度不能夠變得過(guò)于單薄,以免鋼筋在遭受外部潮濕空氣的狀況下出現(xiàn)銹蝕問(wèn)題??煽啃缘脑O(shè)計(jì)原則,是指高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),必須在設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)期與建筑的使用年限范圍內(nèi),充分達(dá)到耐久性、安全性、穩(wěn)定性、剛度、動(dòng)力性能等各方面的性能要求,即使超出年限的基準(zhǔn)期范圍,也能夠在各項(xiàng)性能出現(xiàn)不同程度降低的基礎(chǔ)上,維持正常的使用。

高層建筑的結(jié)構(gòu)柔性比低層的樓房要高,一旦遭遇地震等問(wèn)題,會(huì)發(fā)生更大幅度的作用變形,若要避免建筑在地震等作用下發(fā)生倒塌變形等問(wèn)題,就必須在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí),使其結(jié)構(gòu)具備足夠的延展性能。目前,高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,其結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形等問(wèn)題,主要受到地震的水平作用力及外部環(huán)境中的風(fēng)力等因素的影響,層數(shù)的不斷增多會(huì)帶動(dòng)水平作用力的持續(xù)加大。所以,在設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí),必須要充分地將這些側(cè)向力的影響考慮在內(nèi)。高層建筑面臨著眾多的水平作用力影響,容易出現(xiàn)較大幅度的側(cè)向位移,設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),必須在保證其具有足夠強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,同時(shí)使其具備合理的剛度及自振頻率,進(jìn)而將樓層水平位移控制于允許范圍。

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方法

1完善單元結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計(jì)

獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì),是高層建筑中的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容,此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作適合采用簡(jiǎn)單、規(guī)則的平面形式,但平面的整體長(zhǎng)度與突出部分的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)控制于適宜的范圍,且具備均勻分布的承載力與剛度,同時(shí),豎向結(jié)構(gòu)適合采取均勻、規(guī)則的形式,以保證建筑的外挑與內(nèi)收問(wèn)題得到有效的控制。要達(dá)到這一目標(biāo),混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者,應(yīng)當(dāng)在制定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的階段,便努力地將概念設(shè)計(jì)的理念與知識(shí)作為參考,使建筑的適用性與美觀度等要求在得到滿足的基礎(chǔ)上,通過(guò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使其結(jié)構(gòu)的平面與豎向布局盡可能地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、均勻與規(guī)則性,保證其結(jié)構(gòu)剛度與承載力的合理分布,避免建筑獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元出現(xiàn)過(guò)于集中的塑性變形或應(yīng)力。

2優(yōu)化高強(qiáng)的混凝土與鋼筋使用

高層建筑建設(shè)需要耗費(fèi)較多的混凝土、鋼等材料,若混凝土和鋼的強(qiáng)度過(guò)大,勢(shì)必會(huì)造成建筑材料總造價(jià)的超限,同時(shí)加大其他構(gòu)件的造價(jià),從而降低建筑建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此,混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)高強(qiáng)度的混凝土與鋼筋的使用進(jìn)行合理的優(yōu)化控制。以軟土地基上的高層建筑設(shè)計(jì)為例,該結(jié)構(gòu)地基受到的荷載較高,設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)優(yōu)化高強(qiáng)度的混凝土以及鋼筋的使用,使建筑中各構(gòu)件的截面尺寸得到合理優(yōu)化,從而減輕建筑的結(jié)構(gòu)自重,使建筑的基礎(chǔ)工程建設(shè)難度得到大幅度的削減,降低工程的地基處理工作造價(jià)。再以位于震區(qū)的高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例,建筑的自重與地震作用程度成正比例關(guān)系,設(shè)計(jì)人員通過(guò)將高強(qiáng)度的混凝土與鋼筋的使用量減少,可以在減輕其梁、板、墻、柱等構(gòu)件自重的基礎(chǔ)上,降低地震的作用力,進(jìn)而保證建筑結(jié)構(gòu)的安全程度,使建筑的整體安全度得以提升。

3合理設(shè)計(jì)剪力墻平面結(jié)構(gòu)

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),還需要充分地重視剪力墻結(jié)構(gòu)的平面布局問(wèn)題,以保證建筑整體結(jié)構(gòu)受力的均勻性,并使建筑在側(cè)向力的影響下出現(xiàn)的位移控制于允許狀態(tài)。具體來(lái)講,剪力墻平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要為以下幾個(gè)方面:1)以建筑的各項(xiàng)基本結(jié)構(gòu)功能為依據(jù),在滿足這些功能的前提下,盡可能地使剪力墻的布置實(shí)現(xiàn)相對(duì)的集中化與均勻化,對(duì)具有較高的恒載或者平面形式變化較大的部位設(shè)計(jì)剪力墻,應(yīng)當(dāng)盡量縮小其間距。2)以建筑的主軸方向或者是其他方向?yàn)榛鶞?zhǔn),對(duì)剪力墻進(jìn)行雙向的布置,且墻肢截面適合為具備較小的側(cè)向剛度的簡(jiǎn)單規(guī)則的形式,在設(shè)計(jì)中還要盡量地減少對(duì)短肢剪力墻的使用。

高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

1結(jié)構(gòu)安全性

高層建筑人群密度高,且不易逃避、實(shí)施救治,一旦發(fā)生災(zāi)害,造成的危害要比普通建筑高出許多。因此,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須加強(qiáng)對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì),以盡可能降低災(zāi)害造成的傷害程度。具體來(lái)講,設(shè)計(jì)人員可以從以下幾個(gè)方面開(kāi)展結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì):1)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在保證建筑各項(xiàng)功能的同時(shí),通過(guò)考慮結(jié)構(gòu)自身的抗震性能及外部人為因素可能造成的結(jié)構(gòu)破壞,有目的地將高層建筑的抗震等級(jí)提升。同時(shí),還要從整體上,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與牢固度,避免將磚砌體承重或者裝配式的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層的公用屬性較高的建筑中,而要優(yōu)先選取現(xiàn)澆的鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)。2)設(shè)計(jì)人員要從建筑建設(shè)過(guò)程中及投入應(yīng)用后的各個(gè)方面入手,綜合考慮其荷載變化的狀況,盡可能地將建筑結(jié)構(gòu)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值與構(gòu)件承載力設(shè)置出較大的彈性裕度,并且為樓面等部位進(jìn)行額外的增加荷載的設(shè)計(jì),以保證建筑在各級(jí)的地震與火災(zāi)等災(zāi)害中,都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于自身結(jié)構(gòu)安全的維護(hù)。

2抗震概念

高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過(guò)程中,最容易受到的破壞,便是來(lái)自于地震威脅,在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員要以抗震概念設(shè)計(jì)為依據(jù),通過(guò)進(jìn)行抗震試驗(yàn)得出該建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí),或者借鑒相似建筑的抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等,對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)體系、平立面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件延展性等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以使建筑的抗震能力得到有效的提升。具體來(lái)講,在結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方面,設(shè)計(jì)人員要盡可能地選擇空間結(jié)構(gòu)以及平面布局簡(jiǎn)單規(guī)則的形式,作為建筑的整體結(jié)構(gòu)形式。以平面布局為例,可以將矩形、圓形、方形、扇形的結(jié)構(gòu)作為抗震結(jié)構(gòu)的體系形式,并減少對(duì)于不對(duì)稱的側(cè)翼或過(guò)長(zhǎng)的伸展翼的使用。同時(shí),設(shè)計(jì)人員還要通過(guò)進(jìn)行合理的布局,使建筑的質(zhì)量與剛度實(shí)現(xiàn)均勻平衡的分布。而在平立面設(shè)計(jì)方面,設(shè)計(jì)人員可以將墻體設(shè)置為均勻?qū)ΨQ的形式,并提升樓梯或電梯的井筒等具備較高剛度的結(jié)構(gòu)布置的集中性,同時(shí),將抗震墻設(shè)計(jì)為符合建筑結(jié)構(gòu)整體抗震需求的形式,以提升建筑平面結(jié)構(gòu)的抗震性能。而且,還要保持各轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在豎向剛度方面分布的接近,并使剪力墻的設(shè)計(jì)可以將墻面豎向持續(xù)地貫通到建筑底部。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延展性方面,可以將梁、柱端的組合剪力加大,或者提高柱體抗彎性能,并配合將梁端的鋼筋實(shí)際彎矩提升,以使建筑梁端早于柱端發(fā)揮塑性,使二者在外部荷載下,保持結(jié)構(gòu)變形的穩(wěn)定協(xié)調(diào)。

3耐久性

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),還要努力提升其耐久性,以延長(zhǎng)建筑的有效使用壽命,并且使建筑在遭遇各種災(zāi)害之后,依舊能夠維持其應(yīng)用的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能。下面就從幾個(gè)方面談?wù)撘幌禄炷恋慕Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的策略:1)選擇良好的混凝土材料。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在保證混凝土材料的質(zhì)量與基本性能的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能、抗侵入性能、抗裂性能等幾個(gè)方面入手,選擇堅(jiān)固、耐久、潔凈的骨料,含堿量與水化熱反應(yīng)較低的水泥,減少對(duì)于硅酸鹽水泥與用水量的應(yīng)用,并適當(dāng)?shù)貙⒌V物摻合料加入到材料中。2)優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用設(shè)計(jì)工作。高層建筑中的混凝土結(jié)構(gòu)物普遍包括多個(gè)構(gòu)件,每一個(gè)構(gòu)件所處的環(huán)境存在顯著的差別,這就決定了不同構(gòu)件具備的耐久性壽命存在差異,因此,設(shè)計(jì)人員要根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境,明確建筑中不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用界限與注意事項(xiàng)。以屋面、陽(yáng)臺(tái)及女兒墻的設(shè)計(jì)為例,這些部位的梁柱構(gòu)件,耐久性壽命普遍低于室內(nèi),必須合理設(shè)定這些部件維修或更換的時(shí)間。3)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式。設(shè)計(jì)人員根據(jù)建筑的具體侵蝕環(huán)境與設(shè)計(jì)使用年限,設(shè)計(jì)厚度在20mm~70mm之間的混凝土保護(hù)層,并通過(guò)協(xié)調(diào)構(gòu)件的截面積與表面積,避免侵蝕性物質(zhì)集中停留區(qū)域的形成,同時(shí)注意高侵蝕度的環(huán)境中,混凝土墻板的通風(fēng)效果,并注意配筋間距的合理設(shè)計(jì),以減少鋼筋銹蝕、保護(hù)層剝離等問(wèn)題的出現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

高層建筑中混凝土是影響建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵決定性因素之一,因此,建筑設(shè)計(jì)人員必須加強(qiáng)對(duì)于其設(shè)計(jì)原則的分析與掌握,立足于具體的設(shè)計(jì)原則及要求,從整體的設(shè)計(jì)工作及具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容等方面入手,采取有效的策略,以推動(dòng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化完善。(本文作者:蘇永平 單位:山西西山晉興能源有限責(zé)任公司)

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