本站原创摘 要：改革开放之后,我国的经济迅速发展,房地产行业也得到迅速发展.由于房地产行业的发展,高层建筑在数量上猛增,高层建筑得到迅猛发展,这是城市和建筑技术发展的结果.本文通过对高层建筑工程结构设计过程中存在问题进行分析,探讨了高层建筑工程结构的优化设计方法.
关键字：高层建筑；结构设计；存在问题
一、高层建筑工程结构设计中应注意的问题
1.结构选型阶段应注意的问题
在高层建筑工程结构设计的结构选型阶段需要注意的问题包括：结构规则性、结构超高、短肢剪力墙设置.
结构规则性：由于高层建筑工程结构设计规范的变更,新的规范在结构规则性方面有了较大改动,在原有规范的基础上增加了一些限制条件.比如新规范里面规定了高层建筑不能使用不规则的结构设计方案.所以,在进行高层建筑结构设计时,结构设计工程师必须严格遵守新规范[1].
建筑物超高：在高层建筑的抗震规范中对高层建筑结构的高度进行了限制,对于不同级别的结构设置相应的高度限制,如果超出了高度,那么整个高层建筑的设计方法、应采取的措施都需要进行较大的变动.检测如施工图的审查没有通过,则会造成整个工程工期的延误以及对投入资金的浪费.
短肢剪力墙设置：新的《高规》规定墙肢长度为厚度5-8倍且厚度小于300毫米的墙称为短肢剪力墙.由于新规范里面对短肢剪力墙的使用增加了更多的限制条件,因此,建议在高层建筑工程的结构设计过程中尽量不要使用短肢剪力墙.如果真的要使用,一定要满足规范对短肢剪力墙的设计要求.
2.基础和地基设计
地基和基础设计是整个高层建筑结构设计的重要部分,是整个高层建筑工程造价的关键性因素,地基和基础设计的好坏直接影响到整个工程的进程.在对高层建筑进行地基选取时应考虑地基的承载力和高层建筑允许变形的两方面的因素.为了适应天然地基的承受力和维持上层结构的稳定性,一般会在高层建筑下层建造地下室.另外在进行地基和基础设计时还应考虑到地理环境对建筑物以及拟建建筑对周边已建建筑物的影响.比如岩土性质、天气、地下水文等因素对拟建高层建筑物的影响,同时应满足地基规范要求并采取相应措施避免影响已建建筑.
3.结构受力
在对高层建筑设计的初级阶段,工程师首要考虑的不是整个建筑物的结构,而是整个建筑物的空间结构特点.高层建筑物的基面直接决定了建筑物的纵向和横向的稳定性.建筑物的稳定性是每个工程师在设计建筑物时首要考虑的问题,一个稳定、安全的高层建筑物基底必须能够承受建筑物自身的重量,因此在高层建筑工程结构设计的初期必须科学的设计支撑柱以及支撑墙的截面积.虽然对于不同高度的建筑物支撑柱和支撑墙的原理是相同的,但是随着建筑物高度的增加,纵向结构施加给地面的重量也会随着增加,这时就要使用较大截面积的支撑柱或者墙,有必要的话可以使用井筒.横向承载力的大小随着高度的增加呈非现线性增加,即横向承载力是随着建筑物的高度而迅速增加[2].
4.抗震设计
在进行高层建筑工程结构设计的过程中一定要考虑到地震对高层建筑物的影响.在抗震设计过程中应该注意的问题包括建筑材料的选取和建筑物结构体系、建筑物的高度、轴压比和短柱三方面的因素.
首先,建筑材料的选取和建筑物结构体系应根据当地的地质条件以及当地相关规范的要求进行设计.如果建筑物所在地为地震高发区,在进行建筑材料和结构体系的选用方面一定要慎重考虑.目前我国高层建筑使用的主流结构体系主要包括框架-剪力墙、剪力墙、筒体三种结构体系,我国高层建筑物一般采用剪力墙结构体系.鉴于目前我国市场存在的建筑材料,建议在进行高层建筑时为了减小柱断面面积,建议采用钢结构、钢骨混凝土或者钢管混凝土结构来提高高层建筑物的抗震性.
其次,建筑物的高度也是进行建筑物抗震性设计时必须考虑的因素.在只用钢筋混凝土结构的情况下,采用不同的结构体系和不同的建筑高度建筑物所对应的地震等级是有差别的.所以,在设计时应充分考虑结构体系、建筑高度与地震级别之间的关系.
最后,轴压比的大小直接关系到柱的截面积大小.如果柱的截面积比较小则柱子将处于小偏压状态,这时钢筋受到拉扯容易造成混凝土的破碎从而降低建筑物的抗震性.在另外一种情况下可以适当放宽轴压比,即在建筑物结构中采用强柱弱梁的设计,同时梁的设计要具有良好的延展性,这样就减少了柱进入屈服状态的可能性.所以,为了提高高层建筑物的抗震性,在进行结构设计时一定要考虑轴压比,从而使高层建筑物具有更强的抗震性[3].
二、高层建筑工程结构设计的原则
高层建筑工程结构的设计包括准确的分析计算、科学合理的计算简图、恰当的构造措施、恰当的基础方案.
准确的分析计算：计算机是高层建筑工程结构设计过程需要使用的重要的、简单的、省时的辅助工具.但是,对于市场上存在的各种各样的相关计算机软件,每种软件都有自己的特点,计算出来的结果也各不相同,所以在进行结构设计时尽量采用多种软件进行计算,然后认真分析产生的不同结果,筛选出真正符合该工程的结果,以提高工程设计的准确性.
科学合理的计算模型：计算模型是结构计算的基础,如果选取了不合理的计算模型则会给整个高层建筑工程的结构带来安全隐患.因此,保证高层建筑机构安全的关键条件就是选择科学合理的计算模型.在进行结构设计的过程中可能会存在因钢结构节点造成的计算误差,但是只要在施工时将这种误差限制在一定的范围内,就不会影响整个工程结构设计的稳定性和安全性.
恰当的构造措施：在高层建筑工程的施工过程中不可避免的会遇到各种各样的问题,因此建筑工程师在进行结构设计时一定要考虑到施工过程中遇到的各种问题,并针对每个问题选择恰当的构造措施.在进行结构设计时要充分考虑材料的延展性、温度应力等对整个工程结构的影响[5].
恰当的基础方案：一个高层建筑工程的好坏关键点在于基础方案的选择是够恰当.在选用基础方案时要考虑建筑物所在地的地质特征、气候环境、周围设施等因素,这些因素关系着高层建筑物的质量.在具体的施工过程中,为了更好的发挥地基的作用,一定要全面的考虑这些因素.另外,要密切注意时间的变化对工程结构的影响,有必要的话需要对地基进行变形验算.
三、优化设计
目前,我国高层建筑工程结构的优化设计跟不上理论的脚步,存在的主要问题是忽视了结构的整体.大多数建筑工程师的共同看法是结构方案、上部结构的截面只要满足相关规范就行了,并没有考虑到上层结构的截面优化对整个工程带来的经济效益.当前,我国还没有特别高效的与高层建筑结构优化的相关软件,现有的软件不能达到令人满意的效果.高层建筑结构的优化目标是材料使用量,材料的使用量由构件的截面积大小所决定,而构件的截面尺寸要符合构件内力和位移变形分析后的强度计算.直接优化方法就是在约束条件的限制下将已知值赋值给函数变量,从而计算出设计所需要的最终值,最后根据最接近目标值的最佳值与目标值之间的路线、方向来实现工程结构的优化设计[4].
四、结语
目前,高层建筑物的发展对我们的生活带来了很大的改变,它促进了城市发展,改善了我们的生活环境,提高了我们的生活水平.我国的高层建筑物工程的结构的设计和施工过程中都存在着问题,为了解决问题,需要国家不断地完善相关法律法规、提高建筑工程师的专业素养,这样才能保证高层建筑物的质量和居民的安全,进一步促进经济和建筑事业的发展.