探究商业建筑的结构设计

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  【摘 要】 改革开放后我国经济得到了迅猛发展,促使一座座高层商业建筑拔地而起,在过去的十余年我国高层商业建筑呈现出了惊人的增长态势,无论是建设规模还是建设速度都是世界上及其罕见的,随着高层商业建筑在我国的迅速发展,建筑高度的不断增加,建筑类型与功能的愈来愈复杂,结构体系的更加多样化,高层商业建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点。
  【关键词】 高层建筑;结构;设计分析
  1 高层商业建筑结构施工的主要特点
  高层商业建筑施工在建筑、结构、设备、消防等方面与低层、多层建筑在施工技术上有一定的相同之处,但是随着建筑物高度的增加带来施工条件的差异,使得高层商业建筑与低层、多层建筑在施工技术上有其固有的特点。主要表现在“高、深、长、密”4个方面。
  1.1所谓“高”就是建筑的垂直方向较长
  为了在有限的土地上获得更高的利益,高层商业建筑一般都是比较高的建筑。基于高层商业建筑高度高这一明显特点,必然会给建筑附于工程量大、技术复杂、危险系数高等特点,因此,高层商业建筑施工过程之中必须注意防火、防电、通信联络、垃圾处理等相关问题,认真贯彻科学管理理念,真正落实建筑质量至上、安全第一的原则。
  1.2高层商业建筑的“高”与“深”
  由于高层建筑的高度很高,建筑物对其地基基础的要求就是很严格的,所以就要求建筑物基础的埋置深度较深,为了满足地下埋深嵌固的要求,保证高层商业建筑施工整体的稳定性,同时也为了满足市民对车库、库房等相关空间的要求,高层商业建筑结构一般至少具有一层地下室,埋深均在地面以下5m。
  1.3“长”指的是建筑施工周期较长
  高层建筑的高大基本上决定了项目工程的巨大,其所需要的时间就越长,施工工期一般为2a左右,整个工期不可避免的经历越冬、雨期等不利施工的时节,所以为了缩短工期,提高工程效益,在整个工期中必须细致的进行施工方案、监理方案的分析的选择,进行合理的布置和安排。
  1.4“密”是指高层商业建筑的施工区域相对集中
  高层商业建筑一般在经济繁荣的城市地带比较集中,周边环境复杂、人口密集,为了保证施工进度,需要合理安排现场临时设施工程,尽量节约空间,做到减少在施工现场囤积建筑材料、停放运输设备等。充分利用商品混凝土和预制构配件等到半成品材料。
  2 高层商业建筑结构体系的主要特点
  在高层商业建筑结构设计中建筑结构体系起着很大的作用,这和低层建筑结构相比具有明显的区别,选择的建筑结构体系不同,需要制定的施工方案、工程监理、建筑平面的布置、建造高度、防火通道设置、施工工期和工程造价等各方面的对策也大相径庭。
  2.1水平力是设计的主要因素
  一般认为,竖向载荷(重力)往往是影响低层和多层房屋结构设计的主要因素。而在高层商业建筑中,起决定性作用的是水平荷载,虽然竖向荷载仍对结构设计也有一定影响,但其影响往往只是一个参考数据,不会牵动大局。
  首先,竖向载荷一般随建筑高度的确定也将成为一个定值,但作为水平载荷的风荷载和地震作用,其数值往往随建筑结构体系的不同而相差较大。其次是,建筑自重和对竖向荷载构件的强度要求,仅和建筑高度成一次的正比关系;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩,以及由此在竖向构件中所引起的轴力,和建筑高度的两次方成正比。
  2.2侧移成为控指标
  建筑高度越高使得结构的侧向变形迅速变大,这与低层或多层建筑有着很大的区别,随着建筑高的的增加,结构侧移已成为高层结构设计中的重要指标。随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大,高层商业建筑在设计中要满足抗推侧向刚度,以使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内,否则会产生以下情况:
  (1)主体结构构件出现扭曲、裂缝,甚至损坏。
  (2)墙体开缝、暖气管道和自来水管道崩破、机电设备管道损坏、电梯轨道变型等,这给居民带来心理上的恐慌。
  (3)高层建筑产生侧移,将对竖向构件较大的附加内力,随着侧向位移的增大时,产生的附加内力也会相应增大,直到建筑不能承受时,将会导致房屋侧塌。
  2.3抗震设计要求更高
  我国对各类建筑结构的抗震计算应采用的方法作了以下规定:可以采用底部剪力方法这种简化方法的结构,一般是高度低于40m,剪切变形是其主要特性,并且刚度和质量随着高度的变化均匀分布的结构,和一些近似于单质点体系构造的结构。除此以外的其他建筑结构,一般是比較适宜采用振型分解反应谱法进行结构抗震计算。
  通过高层建筑自重与多层建筑自重比较来说,减轻前者的自重更加重要,而且意义也比后者大。地基或桩基的承载力与房屋自重有很大的关系,在相同的地基或桩基的情形下,若能有效减轻建筑自重,这就意味着在以基础造价不变的情况下,能够建更多层数,在软弱土层的经济效益是比较可观的。由于高层建筑的层数过高,重量太大,使得建筑的重心也偏高,这样一来,地震倾覆力矩也变得过大,使得竖向构件要承受附加的轴力,从而导致地震的破坏强度增加。
  2.4目前,框架和框架—剪力墙体系是高层商业建筑结构主要采用的体系
  与边柱相比,中柱的轴向应力一般较大,致使中柱容易发生轴向应变,伴随着建筑高度的不断增高,这种轴向压力会一直积聚,同时轴向变形也会一直积累,这种作用的效果相当于连续梁中间支座沉陷,从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。由于压力的积累,会在很大程度上压缩构件的长度,即发生轴向压缩横向变宽。
  2.5概念设计和理论计算同样重要
  抗震设计是由计算设计和概念设计两部分组成。利用计算设计虽然非常方便,但应考虑到计算设计的前提条件理想状态,尽管分析手段和原则不断完善,但由于地基土影响以及地震功能要求的复杂性,可能由于某一个地方疏漏导致计算设计和实际情况相差很大,尤其是当结构进入弹塑性阶段之后,将会出现构件的崩破、开缝等现象。所以在设计时要注意概念设计要和理论设计的相互补充。
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