淺談高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、    淺談高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)    孟美娜摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及城市化水平的不斷提高，土地利用也是越來越頻繁，隨著土地資源的匱乏，高層建筑以其較高的土地利用率的特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注和發(fā)展。而在高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)屬于比較常見的結(jié)構(gòu)類型，對于高層建筑的構(gòu)架有著重要影響。本文主要就高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究。關(guān)鍵詞：高層建筑 鋼結(jié)構(gòu) 混凝土結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)： tu208 ： a引言隨著建筑水平的提升，建筑工程逐漸朝向高層且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)發(fā)展，這對于建筑材料的選擇也有了更高的要求標(biāo)準(zhǔn)。目前，在高層建筑中比較常見的兩種

2、結(jié)構(gòu)方式即就是鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用，在很大程度上促進(jìn)了高層建筑的發(fā)展和進(jìn)步。隨著，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用，它們各自的優(yōu)勢在高層建筑中都有著很好的體現(xiàn)。所以，在高層建筑施工中，要注重鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與混凝土設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，切實(shí)提高其對于高層建筑結(jié)構(gòu)的重要性，促進(jìn)高層建筑更進(jìn)一步的發(fā)展和進(jìn)步。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高層鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)1.1鋼結(jié)構(gòu)重量輕、抗震性能好：鋼結(jié)構(gòu)是以工廠化生產(chǎn)的鋼梁、鋼柱為骨架，同時(shí)配以輕質(zhì)墻板建造而成。它與同面積的建筑樓層相比重量可減輕近30%。同時(shí)，由于鋼材具有較強(qiáng)的延展性，能較好地消除地震波力，防震性能好，尤其適用于高層建筑。1.2

3、鋼結(jié)構(gòu)建筑占地面積小、空間靈活：開放的空間比有承重墻占據(jù)的空間更有價(jià)值。鋼結(jié)構(gòu)房屋的空間靈活性及自由發(fā)揮度要比混凝土房屋要強(qiáng)很多。并且鋼結(jié)構(gòu)在建筑所需要占用的面積較小，從而實(shí)現(xiàn)建筑空間的高效利用，這種建筑施工效果是鋼筋混凝土等材料無法實(shí)現(xiàn)的。1.3鋼結(jié)構(gòu)住宅的綜合效益高：鋼結(jié)構(gòu)房屋自重輕，可以減少基礎(chǔ)部分的投資。在建筑施工的過程中，鋼結(jié)構(gòu)施工工期短，需要人力少，從而為企業(yè)節(jié)約成本。更為重要的是鋼結(jié)構(gòu)在施工的過程中，外界因素所造成的影響費(fèi)用較小，從而確保工程的順利開展。1.4利用率高、環(huán)保：在施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)建筑現(xiàn)場作業(yè)量小、無噪聲、不污染周圍環(huán)境，不會產(chǎn)生大量的灰塵以及垃圾廢物，且在建筑拆除

4、之后還能夠再次的應(yīng)用，這對于節(jié)約型社會的建設(shè)具有重要的推動意義。1.5鋼結(jié)構(gòu)房屋的缺點(diǎn)：對建筑物的耐腐蝕性和耐火性要求較高，用鋼量稍大，造價(jià)偏高。2、高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)體系2.1鋼框架結(jié)構(gòu)體系框架結(jié)構(gòu)體系是指，沿房屋的縱向和橫向均采用框架作為承重和抵抗側(cè)向力的主要構(gòu)件所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。由于框架體系能夠提供較大的內(nèi)部使用空間，因而建筑布置靈活。此外，框架的桿件類型少，構(gòu)造簡單，施工周期短。所以，對層數(shù)不太多的高層結(jié)構(gòu)來說，框架體系是一種應(yīng)用比較廣泛的結(jié)構(gòu)體系。純框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力主要決定于柱和梁的抗彎能力，當(dāng)樓層數(shù)較多時(shí)要提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度只有加大梁和柱相的截面。截面過大，就會使框架失去其

5、經(jīng)濟(jì)合理性。2.1框架支撐框架結(jié)構(gòu)體系框架支撐框架結(jié)構(gòu)就是在框架的一跨或幾跨沿豎向布置支撐而構(gòu)成，其中支撐桁架部分起著類似于框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的作用。在水平作用下，支撐桁架部分中支撐構(gòu)件只承受拉、壓軸向力，這種結(jié)構(gòu)形式無論是從承載力或變形的角度看，都是十分有效的。與純框架結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)形式大大提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度。支撐在水平荷載作用下所產(chǎn)生的側(cè)移，主要是由其桿件的軸向拉伸或壓縮變形引起的。與桿件的剪彎剛度相比較，桿件的軸向變形剛度要大得多。也就是說，支撐的抗側(cè)力剛度相對于框架的抗側(cè)力剛度要大得多。2.3筒體結(jié)構(gòu)體系筒體結(jié)構(gòu)體系是在超高層建筑體系中應(yīng)用較多的一種種，按筒體的位置、數(shù)量等

6、分為鋼框架核心筒體結(jié)構(gòu)體系、外框架筒結(jié)構(gòu)體系、筒中筒結(jié)構(gòu)體系和束筒結(jié)構(gòu)體系。2.3巨型結(jié)構(gòu)體系巨型結(jié)構(gòu)體系是一種新型的超高層建筑結(jié)構(gòu)體系是由梁式轉(zhuǎn)換樓層結(jié)構(gòu)發(fā)展而形成的巨型結(jié)構(gòu)又稱超級結(jié)構(gòu)體系，是由不同于通常梁柱概念的大型構(gòu)件巨型梁、巨型柱組成的簡單而巨型的主結(jié)構(gòu)和由常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)共向工作的一種結(jié)構(gòu)體系。3、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析3.1合理的結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，在地震烈度高或很不規(guī)則的高層中，不應(yīng)單純?yōu)榱私?jīng)濟(jì)去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型src柱，核心為支撐框架的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征,荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮

7、。一般的說要?jiǎng)偠染鶆?，力學(xué)模型清晰。盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍,使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ)。柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻。其形心要盡量靠近側(cè)向力(風(fēng)震)的作用線，否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線。 比如有支撐框架結(jié)構(gòu),柱子至少應(yīng)能單獨(dú)承受1/4的總水平力。3.2合理選擇鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要注意正確選用質(zhì)量合格的鋼材、連接材料和焊接材料。鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材應(yīng)該具有抗拉強(qiáng)度、延展強(qiáng)度、伸長度、冷縮度和硫、碳等物質(zhì)含量的合格證明。在地震頻發(fā)區(qū)，鋼材除以上要求以外，還要求它們具有合格的沖擊韌性強(qiáng)度。鋼結(jié)構(gòu)的鋼材主要采用的是 q235 和q345，不建議使用等級為 a

8、 的鋼材，因?yàn)檫@類鋼材的沖擊韌性強(qiáng)度和延展性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時(shí),可選擇q345; 穩(wěn)定控制時(shí),宜使用q235。焊接材料的質(zhì)量直接影響整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的安全，所以應(yīng)該根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的受力性能和焊縫的受力情況，確定焊接材料的等級。3.3 加強(qiáng)對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)范的重視在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要注意做到的是技術(shù)要先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)要合理、質(zhì)量要保證，所以技術(shù)人員要重視對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的學(xué)習(xí)，并且要深刻的理解和貫徹，形成一種嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的嚴(yán)謹(jǐn)工作習(xí)慣。現(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算和構(gòu)造繪圖過分依賴電腦，缺乏動手能力的實(shí)際操作能力。所以在實(shí)際中應(yīng)該要注意對鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際掌握。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還要重視對鋼材、連接材料和

9、焊接等材料的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，要在了解相關(guān)規(guī)定的要求下，提出合理的材料選用和質(zhì)量要求。3.4重視節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一。應(yīng)保證連接節(jié)點(diǎn)的安全、耐久及經(jīng)濟(jì)的要求。節(jié)點(diǎn)應(yīng)傳力簡捷、明確、可靠；節(jié)點(diǎn)計(jì)算的模型應(yīng)與實(shí)際受力情況一致；保證節(jié)點(diǎn)連接有足夠的強(qiáng)度和剛度，避免由于節(jié)點(diǎn)不足而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的破壞；采用合理的細(xì)部構(gòu)造使節(jié)點(diǎn)連接具有較好的延性。二、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、高層混凝土結(jié)構(gòu)類型1.1框架結(jié)構(gòu)體系框架結(jié)構(gòu)體系是由樓板、梁、柱及基礎(chǔ)四種承重構(gòu)件組成。框架結(jié)構(gòu)體系優(yōu)點(diǎn)是：建筑平面布置靈活，能獲得大空間，建筑立面也容易處理，結(jié)構(gòu)自重輕，計(jì)算理論也比較成熟，在一定高度范圍內(nèi)造價(jià)

10、較低。框架結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：框架結(jié)構(gòu)本身柔性較大，抗側(cè)力能力較差，在風(fēng)荷載作用下會產(chǎn)生較大的水平位移，在地震荷載作用下，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞比較嚴(yán)重。1.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系剪力墻結(jié)構(gòu)體系建筑是由一系列縱向和橫向剪力墻及樓蓋組成的空間結(jié)構(gòu)。剪力墻承受豎向荷載及水平荷載的能力都較大。其特點(diǎn)是整體性好，側(cè)向剛度大，水平力作用下側(cè)移小，并且由于沒有梁、柱等外露與凸出，便于房間內(nèi)部布置。缺點(diǎn)是不能提供大空間房屋，結(jié)構(gòu)延性較差。1.3框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，可以組成框架剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既有框架結(jié)構(gòu)布置靈活、使用方便的特點(diǎn)，又有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震能力，因而廣泛地應(yīng)用于高層建筑中的辦公

11、樓和旅館。1.4筒體結(jié)構(gòu)體系隨著建筑層數(shù)、高度的增長和抗震設(shè)防要求的提高，以平面工作狀態(tài)的框架、剪力墻來組成高層建筑結(jié)構(gòu)體系，往往不能滿足要求。這時(shí)可以由剪力墻構(gòu)成空間薄壁筒體，成為豎向懸臂箱形梁，加密柱子，以增強(qiáng)梁的剛度，也可以形成空間整體受力的框筒，由一個(gè)或多個(gè)筒體為主抵抗水平力的結(jié)構(gòu)稱為筒體結(jié)構(gòu)。2、高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)2.1 在設(shè)計(jì)中重視規(guī)范、規(guī)程中有關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)體系上，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的選型和平、立面布置的規(guī)則性，擇優(yōu)選用抗震和抗風(fēng)性能好且經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)能抵抗任意方向的地震作用，應(yīng)使結(jié)構(gòu)沿平面上兩個(gè)主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力。結(jié)構(gòu)除需要滿足水平方向剛度

12、和抗震能力外，還應(yīng)具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)震動的能力。在一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，應(yīng)避免應(yīng)力集中的凹角和狹長的縮頸部位；避免在凹角和端部設(shè)置樓、電梯間；減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。2.2采用合理的結(jié)構(gòu)選型應(yīng)盡量避免采用結(jié)構(gòu)不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，對于超高問題應(yīng)特別重視，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在高層建筑設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻。2.3結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析在進(jìn)行工程整體結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析時(shí)必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計(jì)算軟件模型的特點(diǎn)選擇合理的計(jì)算軟件。對計(jì)算結(jié)果的合理性、可靠性進(jìn)行判斷是十分必要的，是結(jié)構(gòu)工程師最主要的任務(wù)之一。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算需控制剪重比、剛度比、位移比、周期比等參數(shù)。還要注意高層建筑的抗震設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確分析個(gè)單體、塔樓、裙房的抗震等級。在高層建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重構(gòu)件（如屋頂處的裝飾構(gòu)件），由于高層建筑的地震作用和風(fēng)荷載均較大，必須嚴(yán)格按照規(guī)范中的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算處理措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)束語總而言之，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各有各的特點(diǎn)，在具體的高層建筑施工中要合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選