高层建筑钢筋混凝土结构设计的探究

发表时间:2016/1/26   来源:《工程建设标准化》2015年11月供稿   作者:孙百青1 陈亮2
[导读] 2.山东省能源建筑设计院,山东,济南 在建筑工程结构设计中,由于不同的建筑类别抗震等级是不同的,所以应按照GB50223-2004中的有关规定对建筑的类别进行确定。

孙百青1  陈  亮2
  (1.身份证号:371325198210216665)
  (2.山东省能源建筑设计院,山东,济南,250000)
  【摘  要】随着国民经济与建设技术的不断发展,城市建设也不断扩张,城市的土地资源日益稀缺,高层建筑逐渐成为城市建设的主角。高层建筑结构设计是随着经济发展及人们对建筑物功能要求改变,又随着科技的进步而得以实现和解决。
  【关键词】高层建筑;钢筋混凝土结构;设计
  一、高层建筑结构设计中钢筋混凝土构造的分析
  1.确定混凝土结构的抗震等级
  在建筑工程结构设计中,由于不同的建筑类别抗震等级是不同的,所以应按照GB50223-2004中的有关规定对建筑的类别进行确定。
  2.确定周期折减系数
  由于在混凝土框架结构中一般都会设置填充墙,从而会导致结构的实际刚度往往会比计算刚度要大一些,致使计算周期通常要比实际周期大。因此,为了克服这一因素的影响必须对结构的计算周期进行折减。在进行折减时需注意折减系数的取值不宜过大。对于钢筋混凝土框架结构而言,当其使用砌体填充墙时,折减系数可按填充墙的材料及实际数量进行确定,一般可将系数确定为0.6~0.7;如果结构中的填充墙较少,或是轻质砌体时,可将系数确定为0.9;对于没有填充墙的钢筋混凝土框架结构可以不进行计算周期的折减。
  3.确定梁刚度放大系数
  由于目前的混凝土结构设计计算软件所输入的模型以矩形截面居多,软件并未对因结构中楼板的存在而形成T型截面考虑在内,这样势必会导致因T型截面的存在引起刚度增大,从而使钢筋混凝土结构的实际刚度较之计算所得的刚度大很多,这样计算出的地震剪力值会偏小,影响结构的稳定性。所以在进行计算时应适当将梁刚度放大,放大的系数一般为边梁1.5、中梁2.0。
  二、钢筋混凝土剪力墙结构设计
  剪力墙结构有刚度大、变形小、整体性好等诸多优点,但是实际施工和计算中却不尽然。由于在整体计算中必须要对墙体以单元形式划分,所以划分的单元难免出现异性、尖角等不规则形状,根据工程实践,这种划分对墙肢和连梁的计算误差很大,对于出现不规则形状的部位甚至会出现计算失真的情况。
  一般情况下,在墙体开洞处(窗洞口或结构洞等)周边墙肢、连梁的网格容易出现较大计算误差,因此划分网格时应将程序默认的网格边长进行适当调整(如减小到0.8m左右),然后再根据连梁、墙肢的大小和形状进行划分,这样可提高单元网格规则度。(在结构计算中,连梁配筋超筋时可减小墙元细分最大控制长度。当工程体量过大时可放大墙元细分最大控制长度。)
  当然,若出现特殊情况,比如洞边墙垛较小时,这种情况对计算结果有较大影响,甚至出现计算失真的情况,因此应结合理论采取有效实用的处理方法,比如:
  (1)当墙垛净宽度在300毫米左右时,建模时应将墙垛宽度取为300毫米;
  (2)若墙垛远小于或者远大于300毫米时,则应取消墙垛进行计算。


工程实践演算已经证明,上述这种处理方法,不但简单而且十分有效,其计算结果是精确度高且相对合理;
  (3)洞口连梁的地位不容忽视,它在建模时的生成方式对整体结构的刚度、周期、位移以及连梁内力均有较大影响。对于剪力墙连梁生成的方式一般表现为两种:①相对简单的形成方式:即直接在剪力墙上布置洞口,使上下洞口之间形成连梁;②相对复杂的形成方式:即在剪力墙端部加设节点之后,在两节点之间按普通梁输入形成连梁。
  根据连梁剪切变形的特点进行分析发现,它的剪切变形在所有变形中所占比重直接受到连梁的跨高比影响,因此,在实际的设计中应将连梁的跨高比与墙单元进行分析,即当跨高比<2.5时,连梁应按墙单元输入,选择墙体开设洞口方式形成连梁;当跨高比在2.5和5之间时,连梁应按墙单元输入,选择墙体开设洞口方式形成连梁,但网格应进行适当地细分;当跨高比≥5时,连梁应按普通梁单元输入(即在剪力墙端部加设节点之后,在两节点之间按普通梁输入形成连梁)。
  三、优化钢筋混凝土结构设计的措施
  1.注意加强构造措施。对于大跨度柱网的框架结构,处于楼梯间处的框架柱,由于楼梯平台梁与其相连,使得楼梯间处的柱可能成为短柱,应对柱箍筋全长加密。这一点在设计中容易被忽视,应引起重视。对框架结构外立面为带形窗时,设置连续的窗过梁,可能会使外框架柱成为短柱,应注意加强构造措施;对于框架结构长度略超过规范限值,建筑功能需要不允许留缝时,为减少有害裂缝,建议采用补偿混凝土浇筑。采用细而密的双向配筋,构造间距宜小于150毫米,对屋面宜设置后浇带,后浇带处的构造措施,宜适当加强。
  2.注意地下室的结构设计。有地下室的建筑,当地下水位较高时,在室外地坪之下的结构部分外轮廓形状应尽量简洁,以有利于建筑防水的施工。由于柱下承台的影响,基槽地模形状很复杂,太多的阴阳角和放坡,不但增加了防水施工难度,延长了施工时间,而且增加了工程造价。对于这种情况,建议考虑采用反承台法:统一地下室底板和承台的下皮标高相同,承台需要加厚部分向上作,然后地下室内部作滤水层和覆土等地面做法。此方法基槽地模形状简单,不但方便施工,利于保证工程质量,而且缩短施工时间,内部的覆土重量,也平衡掉了部分作用在底板上的水浮力,提高了建筑物的抗倾覆能力。
  3.注意嵌固端与短肢剪力墙的设置。由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防,嵌固端有可能设置在地下室顶板,也有可能设置在人防顶板等位置,因此,在这个问题上,由嵌固端的设置引起的一系列需要注意的问题容易被忽视,例如,嵌固端楼板的设计,嵌固端上下层刚度比的限制,嵌固端上下层抗震等级的一致性,在结构整体计算时嵌固端的设置,结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题,而忽略其中任何一个方面,都有可能埋下安全隐患,导致后期设计的大量修改;新规范对墙肢截面高厚比为5~8的墙定义为短肢剪力墙,同时根据实验数据和实际经验,对短肢剪力墙在高层建筑中的应用,增加了相当多的限制。因此,在高层建筑设计中,结构工程师应尽可能少用最好不用短肢剪力墙,以避免给后期设计带来不必要的麻烦。
  4.注意节点构造,使塑性铰向梁跨内移。在罕遇地震作用下,要实现让梁端形成塑形铰,柱端处于非弹性工作状态而没有屈服,但节点还处于弹性工作阶段。强柱弱梁相对于梁端截面实际抗弯能力而言,柱端截面抗弯能力增强幅度的大小,是使柱不被压溃的关键控制措施,它决定了由强震引起柱端截面屈服后,塑性转动能否不超过其塑性转动能力,而且不致形成层侧移机构;柱强于梁的幅度大小,取决于梁端纵筋不可避免的构造超配程度的大小,以及结构在梁、柱端塑性铰逐步形成过程中的塑性内力重分布,以及动力特征的相应变化。因此,要在建筑许可的前提下,尽可能把柱的截面尺寸做大些,使柱的线刚度与梁的线刚度的比值尽可能大于1,并控制柱的轴压比满足规范要求,以增加延性。验算截面承载力时,将柱的设计弯距,按强柱弱梁原则调整放大,加强柱的配筋构造。梁端纵向受拉钢筋的配筋不得过高,以免在罕遇地震中进入屈服阶段,不能形成塑性铰,或塑性铰转移到立柱上。
  四、结论
  随着建筑领域的不断拓展,高层建筑不仅满足人们的生活需要,同时也是一个城市和国家经济发展水平高低的免征,代表着一个地区的发展程度。高层建筑的设计问题在建筑行业已越来越被重视,对其问题的研究需要设计者和技术工作者不断总结经验和努力创新,使建筑设计日趋完善,保证高层建筑的质量和人们的生命财产安全。

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