談雙重抗側(cè)力體系高層建筑結(jié)構(gòu)
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關(guān)鍵詞：高層建筑；側(cè)向位移；雙重抗側(cè)力體系
高層建筑的出現(xiàn)和發(fā)展不僅為人類解決了居住上的問題，同時(shí)還促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)和科技等方面的進(jìn)步。建國初期，我國在環(huán)境保護(hù)方面意識(shí)還不是很強(qiáng)烈，有很多建筑在設(shè)計(jì)和建造的過程中考慮的方面還不是很完善，存在著效率低、能耗大、浪費(fèi)資源等缺點(diǎn)。自從黨的十八大把生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會(huì)主義事業(yè)的總體布局中，我國一直秉持節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的基本國策，建筑業(yè)也積極響應(yīng)國家的政策，在環(huán)境保護(hù)方面做了很多努力并有了很大的提高［1］。建筑高度的增加，帶來了很多設(shè)計(jì)和施工上的難題，所以，如何高效合理的設(shè)計(jì)和施工成為必須要思考并解決的問題。一個(gè)建筑不僅要滿足人們使用的需要、保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，同時(shí)還要綜合考慮材料使用、環(huán)境安全等方方面面。
1雙重抗側(cè)力體系簡介及特點(diǎn)
雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系是將結(jié)構(gòu)體系的抗彎性能和抗剪性能結(jié)合在一起的一種具有多道抗震防線等優(yōu)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體系，通過樓板以及連梁達(dá)到共同工作的效果，兩種體系共同抵抗外荷載。雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)主要有框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—支撐結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、巨型框架—核心筒—伸臂桁架結(jié)構(gòu)等。
1.1框架—剪力墻結(jié)構(gòu)
由于梁柱都是線性結(jié)構(gòu)，截面慣性矩小，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度也會(huì)相對(duì)較小，所以框架結(jié)構(gòu)不宜用于較高的建筑。為了增大框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，可以在框架結(jié)構(gòu)中適當(dāng)增加剪力墻，框架和剪力墻共同承擔(dān)豎向荷載和水平荷載?？蚣堋袅Y(jié)構(gòu)即具有框架結(jié)構(gòu)布置靈活、空間大的特點(diǎn)又兼具剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大的優(yōu)點(diǎn)，較廣泛的被應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)中。
1.2鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)
在鋼框架中增設(shè)斜向的鋼支撐桿形成支撐框架，由鋼框架和支撐框架共同承受豎向荷載和水平荷載，形成了鋼框架支撐結(jié)構(gòu)。支撐框架的側(cè)移變形類似于剪力墻，呈彎曲型。鋼結(jié)構(gòu)支撐框架類型主要有中心支撐、偏心支撐和屈曲約束支撐等，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的支撐斜桿增大了框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。
1.3桁架筒結(jié)構(gòu)
稀柱、淺梁作為主要抗剪構(gòu)件，支撐斜桿作為抗彎構(gòu)件組成桁架結(jié)構(gòu)與體系布置在建筑物周圍這樣就形成了桁架筒結(jié)構(gòu)。桁架筒結(jié)構(gòu)主要是鋼結(jié)構(gòu)，它具有剛度較大、可以充分的利用建筑材料等優(yōu)點(diǎn)，而且相對(duì)于框筒結(jié)構(gòu)來說它適用于更高的建筑。
1.4筒中筒結(jié)構(gòu)
將框筒或桁架筒作為外筒，樓梯、電梯間、管道豎井等服務(wù)設(shè)施放在建筑平面中心形成內(nèi)筒，這就成了筒中筒結(jié)構(gòu)。外框筒平面尺寸大，有利于抵抗水平力帶來的傾覆力矩和扭矩；內(nèi)筒具有較大的抵抗水平剪力的能力，內(nèi)外筒協(xié)同工作共同抵抗豎向荷載和水平力。
1.5框架—核心筒結(jié)構(gòu)
筒中筒結(jié)構(gòu)的外筒為密柱深梁會(huì)影響對(duì)外視線，如果把筒中筒結(jié)構(gòu)的外框筒柱距增大，減小梁的高度，便形成了稀柱框架，這樣就形成了框架—核心筒結(jié)構(gòu)。框架—核心筒結(jié)構(gòu)相對(duì)于筒中筒結(jié)構(gòu)來説，改善了筒中筒結(jié)構(gòu)外形單調(diào)、對(duì)外視線差、景觀較差等缺點(diǎn)。如果建筑高度較高時(shí)，可以在框架柱和核心筒之間設(shè)置伸臂構(gòu)件，用來增大結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和抵抗傾覆力矩的能力。伸臂的增加可以減少結(jié)構(gòu)的側(cè)移和其所在樓層以下的核心筒各截面彎矩。一般情況下，伸臂構(gòu)件要對(duì)稱設(shè)置，與周邊的框架連接時(shí)一般采用鉸接或半剛接。
1.6巨型框架—核心筒—伸臂桁架結(jié)構(gòu)
當(dāng)建筑高度達(dá)到500米甚至更高時(shí)，巨型框架和巨型空間桁架結(jié)構(gòu)不能滿足抗震設(shè)防的要求，需采用更為經(jīng)濟(jì)、剛度更大的結(jié)構(gòu)體系。巨型框架—核心筒—伸臂桁架結(jié)構(gòu)雖然是雙重抗側(cè)力體系結(jié)構(gòu)，但它是我國目前抗震設(shè)防建筑可以達(dá)到最高高度的結(jié)構(gòu)體系。
2高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、施工時(shí)遇到的問題
2.1設(shè)計(jì)和施工未能有效聯(lián)系
在建筑設(shè)計(jì)的過程中，很多設(shè)計(jì)為了保證工程的質(zhì)量，有時(shí)會(huì)偏向之前的設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成果不符合目前工程的要求，圖紙方面也存在不夠完善的問題，比如設(shè)計(jì)的前后步驟混亂或者漏掉部分內(nèi)容、參考的圖集不標(biāo)準(zhǔn)以及結(jié)構(gòu)道德標(biāo)高、層高、梁柱的編號(hào)等都是設(shè)計(jì)時(shí)能夠遇到的問題，這些問題直接導(dǎo)致施工過程中找不到統(tǒng)一的施工標(biāo)準(zhǔn)，還需要現(xiàn)場的技術(shù)操作人員靠經(jīng)驗(yàn)施工，這就導(dǎo)致圖紙失去了它存在的意義。比如在建筑高層房屋時(shí)，沒有在施工前對(duì)區(qū)域的地理情況進(jìn)行考察，也沒有認(rèn)真查一下有關(guān)資料，工作人員只憑經(jīng)驗(yàn)來制定施工方案，造成建筑的安全性等出現(xiàn)問題，造成了建筑存在安全隱患。在施工時(shí)沒有辦法完全體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，最后導(dǎo)致整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)達(dá)不到理想的效果。
2.2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙中的問題
高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容有地下設(shè)計(jì)部分、地上設(shè)計(jì)部分以及地上地下連接轉(zhuǎn)換等。在設(shè)計(jì)時(shí)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)類型、外界環(huán)境等影響因素較多，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不滿足相應(yīng)規(guī)范的情況，發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因還是設(shè)計(jì)人員的專業(yè)能力不夠，對(duì)高層建筑的知識(shí)掌握不夠抑或是缺乏實(shí)際運(yùn)用的能力，所以在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守國家規(guī)范，按照要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在雙重抗側(cè)力體系中，抗側(cè)力體系之間的連接和協(xié)調(diào)也是設(shè)計(jì)中所應(yīng)解決的問題。有一些建筑設(shè)計(jì)人員只注重高層建筑的外觀，而忽略了對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。像對(duì)于強(qiáng)風(fēng)和地震，需要從整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來考慮做好預(yù)防措施。
2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的研究方法的選用
目前對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)模型分析提出了很多研究方法，比如有限元法［3］、等效模型簡化法［4］和常微分求解器法［5］等。每種方法都有其特殊的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要針對(duì)問題來選擇合適的求解方法，盡量減少其缺點(diǎn)帶來的影響，以求得到最優(yōu)的分析數(shù)據(jù)。
3針對(duì)以上問題的應(yīng)對(duì)措施
3.1人員方面
每一個(gè)崗位的人員在上崗之前都要做好相關(guān)專業(yè)知識(shí)和安全技能等方面的培訓(xùn)，特殊作業(yè)人員要根據(jù)國家規(guī)定，擁有一定的專業(yè)知識(shí)和技能并取得相關(guān)職業(yè)證書才能從事相關(guān)工作。
3.2材料方面
在設(shè)計(jì)一個(gè)建筑時(shí)，材料的選用也至關(guān)重要，材料的特性直接影響了結(jié)構(gòu)的整體性能。同時(shí)為了降低強(qiáng)風(fēng)、地震等對(duì)結(jié)構(gòu)的損害，建筑材料應(yīng)優(yōu)先采用具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)的材料，還可以選擇使用可再生或者可循環(huán)的綠色產(chǎn)品或者建筑材料。合理的安排利用材料不僅可以有效的減輕結(jié)構(gòu)自身的重量，還能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，避免浪費(fèi)資源的同時(shí)還提升了建筑的穩(wěn)定性。
3.3環(huán)境方面
一個(gè)好的建筑不僅在外形、使用功能上滿足要求，還應(yīng)滿足社會(huì)發(fā)展趨勢的要求。我國正處于全面建設(shè)小康社會(huì)的決定性階段，隨著環(huán)境和資源的約束不斷提高，建筑業(yè)應(yīng)秉持綠色發(fā)展理念，提倡低碳制造、綠色施工，來降低建筑帶來的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。4結(jié)語高層建筑的發(fā)展其實(shí)也是一個(gè)城市甚至是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人民生活質(zhì)量的體現(xiàn)。對(duì)于雙重抗側(cè)力體系的高層建筑來說，其優(yōu)點(diǎn)不言而喻，但在其設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在著重注意自己的知識(shí)儲(chǔ)備運(yùn)用和現(xiàn)場勘查等方面來保證工程設(shè)計(jì)的合理性。施工時(shí)也應(yīng)注意施工方法的運(yùn)用和環(huán)境的保護(hù)措施。
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作者：田恩璽 單位：河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院