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高层住宅建筑结构选型分析研究

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高层住宅建筑结构选型分析研究

高层住宅建筑结构选型分析研究 耿浩鹏 陈志珺 江苏省水利勘测设计研究院有限公司 吴江城市管理局 摘 要: 以我国高层建筑的发展现状为基础, 对其选型问题进行了详细阐述, 如各种高层建筑结构的优缺点、选错型号的情况及其原因等, 并将影响结构选型的各种因素, 即建筑功能、结构受力、施工技术和建筑材料以及经济因素等逐一作了论述, 进而构建了一个高层建筑结构选型的决策因子体系, 以期对选型工作提供方法指导。关键词: 高层建筑; 结构选型; 综合经济效益; 作者简介:耿浩鹏 (1983) , 男, 江苏扬州人, 工程师, 主要研究方向为建筑结构。收稿日期:2017-07-18Study on Selection of Building Structure for High-rise Residential BuildingsGeng Hao-peng Chen Zhi-jun Abstract: Based on the present situation of the development of high-rise buildings in China, the problems of its selection are expounded in detail, such as the advantages and disadvantages of various high-rise building structures, the situation of the wrong type and the reasons.And discusses the various factors that affect the selection of structure, namely, building function, structural force, construction technology and building materials, as well as economic factors, and so on, and then construct a decision-making system of high-rise building structure selection, selection work to provide method guidance.Keyword: high-rise building; structural selection; comprehensive economic benefit; Received: 2017-07-181 工程概况综合功能和特殊设施是高层建筑必须符合的两项要求, 也增加了建筑设计的难度。既要考虑建筑的功能及结构的受力情况, 还要将各方面因素如社会、经济、文化和设备技术等涵盖其中, 从而将建筑物的综合经济效益发挥到最大。以高邮的一幢高层建筑结构体系的选型工程为例, 该建筑高 67.8 m, 共 20 层。抗震设防烈度为 7 度。原设计稿中采用框筒剪力墙方案, 但存在不合理之处。于是根据要求对结构的刚度进行调整, 选择合理的结构体系, 即将原先的结构体系变更为框架剪力墙的形式。这种方式既减轻了结构自重, 还增强了结构的整体性能。在对设计进行修改后, 结构自重、结构自振周期和地震作用分别减少了 20%, 70%, 50%。另外, 桩基根数也在原来的基础上减少了 100 多根, 为整个工程节约了超过 25 万元的基础投资。在降低成本的同时, 也符合有关结构指标的要求。2 结构体系的比较分析2.1 结构体系的种类2.1.1 钢筋混凝土的结构体系结合利用钢筋和混凝土这两种材料的受力性能, 是钢筋混凝土结构的重要特点。该结构不仅具有将近 200 年的历史, 还在各种工程结构中得以广泛应用。钢筋混凝土结构的优点为较低的制造成本和维护费用, 丰富的取材, 较好的耐火性和可塑性, 灵活的结构造型且整体性能较好等。钢筋混凝土结构正是因为这些优点得以成为传统的结构形式之一, 并在我国高层建筑中始终占据着主导地位。如马来西亚吉隆坡建造的双塔楼采用的就是钢筋混凝土结构, 该建筑共有 85 层, 高达 450 m。其缺点为自重大且构件会占据大面积的空间;抗裂性和延展性较差;难以修复和补强;施工速度较慢等。以我国广东 63 层的国际大厦为例, 其底层柱的尺寸便已达到了 1.8 m×2.2 m, 在建筑空间中占据了较大的面积。2.1.2 钢结构体系优点:较高的强度和工厂化程度;大空间、小截面;良好的抗震性能和较短的施工周期等, 这些对层数较多的高层建筑来说, 十分适用且用途广泛。缺点:结构材料和造价所耗费用较高;钢材易遭到锈蚀, 且防火性能较差;施工设计和施工技术等复杂繁琐。以钢结构为主的高层建筑结构体系普遍应用于发达国家, 但在我国却较少使用。直到 20 世纪 80 年代中期, 深圳发展中心大厦作为我国第一幢高层钢结构建筑正式落成。到目前为止, 高层钢结构在我国已非罕见之物, 且综合经济效益较好。2.1.3 钢混凝土混合结构体系钢构件与混凝土构件并用就是所谓的钢混凝土混合结构, 它们可以互补。即钢构件具有较高的材料强度和较小的截面尺寸, 可节约大量空间, 而钢筋混凝土墙体或筒体则在抗侧刚度和抗震承载力这两方面较强。经过不断地实践可知, 钢混凝土混合结构的优、缺点如下。优点:造价成本因用钢量的减少和抗侧力体系的高效运转得以大幅降低, 所以被广泛运用至 3080 层的高层建筑中。缺点:两种构件材料的衔接难度较大, 有待进一步研究和提高。2.1.4 钢混凝土组合结构体系所谓的钢混凝土组合结构, 主要有两种类型, 一种是型钢混凝土结构, 另一种则是钢管混凝土结构。而我们通常所说的 SRC, 是指混凝土中含有型钢的劲性配筋混凝土的结构体。优点:不仅具有较高的承载力和较好的抗裂性、抗震性, 还可在不明显增加造价的情况下, 增强结构的抗震性能。同时, 施工速度也因构件截面的合理减小而得到提高。一般来说, 钢混凝土组合结构体系会较多地应用于高层建筑中底部设有多层或跨度较大的重荷载部分。缺点:与钢筋混凝土的缺点相似。简而言之, 将混凝土填充至钢管中所形成的构件就是钢管混凝土, 即 CPST。钢和混凝土的有机结合极大地改善了混凝土处于三向受压状态时的性质。优点:与钢筋混凝土构件相比, 较大程度地提高了构件的承载力;较小的截面尺寸和良好的可塑性使混凝土的脆性性质得到极大地改善。另外, 相较于钢结构, 其具有更好的耐火性, 施工更加便捷。缺点:节点构造复杂, 仅适用于轴心受压。目前, 人们逐渐认识到钢管混凝土结构的优越性, 又因其具有较好的综合经济效益而被应用于高层建筑中。2.2 经济效益的比较和分析根据建筑工程投资的经济效益可知, 不同类型的结构体系会产生不同的效果。现以工程的结构形式为对象对它们的投资经济效益进行详细分析。2.2.1 结构自重一般而言, 1.31.8 t/m 是高层钢筋混凝土建筑标准层的自重。但钢结构可以减小 1/31/2, 即降至 1 t/m 以下。若将钢结构和混合结构的自重与钢筋混凝土的自重相比, 那么它们将分别减轻 42%和 29%。相关研究表明, 建筑物的地震烈度和建筑造价会在其自重减轻一半的同时, 分别降低 1 度和 3%5%。2.2.2 使用面积建设单位和设计单位在设计高层结构的过程中, 最重视如何降低结构面积以提高使用面积。而高层结构中的每个竖向构件都需承受较大的荷载, 一旦在形式选择上采用钢筋混凝土结构, 则须使用 C100 以上的高强度等级混凝土。若用钢构件, 将会使其截面尺寸明显减少。以上海锦江饭店的钢结构建筑为例, 该建筑共有 45 层, 其中地下 1 层, 但其结构面积仅占该建筑全面积的 3.2%, 有效节约了建筑空间。2.2.3 造价分析通常情况下, 土建、装修、设备及其他 4 部分共同组成了高层建筑的造价, 但其比例因不断提高的建筑装潢和设备档次而日益减小, 且主要由抗侧力结构来控制。因此, 各种结构形式间会逐步缩小造价差距, 如某 50 层采用钢混凝土混合结构的公共建筑, 在造价上, 钢结构与该建筑中全部电梯和自动扶梯所耗费用相同。因此, 运用钢结构不会使总投资出现明显增长。2.2.4 综合经济效益根据国外的数据统计和分析可知, 国外高层建筑项目的平均经济效益会因采用钢结构而提高 7%8%。究其原因, 则在于国外的混凝土和劳动力价格较高。因此, 对我国而言这一预估数据偏高。一般来说, 建筑物在 50 层左右时, 采用钢结构和钢筋混凝土结构将会在综合效益上持平, 但钢结构的综合效益会因楼层的增加而不断提高。3 分析高层住宅结构体系的选型高层建筑由多个单体构成, 所受影响因素较多, 统计工作也较为繁杂, 且信息的可信度和稳定性均不高, 再加上较强的综合性, 使结构体系的选择受制于多方面条件, 所以须兼顾结构分析和环境、经济等方面的因素。3.1 结构的功能适应性结构使用空间的弹性适用性:结构形式不仅要满足用户的当前需求, 还要预估建筑未来的发展前景。因此, 结构体系的选择须令使用功能空间的改变和布局调整等需求得到满足。结构的美学效应:截至目前, 我国高层住宅结构已有几十年的发展历史, 随着住户审美需求的不断提高, 单一的建筑立面和平面已无法满足人们的需要, 所以需要在建筑内部和结构部分等方面不断予以调整和完善以吸引住户, 而新型的结构体系将是最好的选择。3.2 结构的受力合理性刚度的合理性:主体抗侧力构件的刚度合理性是高层建筑结构抗震性能设计的重要指标。为确保高层住宅能正常工作, 其整体稳定性、强度延性和水平位移等均须符合建筑规范的相关规定。空间整体性:在结构中, 竖向受力和水平传力这两大构件是其最为重要的组成部分。它们的布置和截面面积会因结构体系的不同而有所改变, 以至于结构整体受力性能存在较大的差异。所以只有具有良好的整体性能, 才能使结构的各部分形成共同受力体。3.3 结构的经济有效性考虑结构的一次性建设投资费用:人工费、材料费和机械使用费都属于建筑工程的直接费用, 因此, 一次性建设投资会因材料消耗量的减少而有所节约, 但这并不适用于所有情况。工程的费用、工期和质量是一个整体, 若只考虑其中某一个因素, 项目中其他因素必然会受到影响, 若操作不慎, 甚至会造成更大的损失。以缩短施工工期而带来经济效益的提高:高层建筑需要巨大的投资, 若能合理缩短结构的施工工期, 那么就能尽快投入使用, 进而较早地取得收益。另外, 建设贷款的还贷时间也会因为施工周期的缩短而缩短, 还贷利息也会减少, 所以较短的施工工期也会使一次性投资的结构方案取得良好的经济效益。3.4 结构的抗震减灾能力(1) 结构的极限承载能力。在完全失效前, 结构所能承受的最大外荷载能力就是所谓的结构极限承载能力。它的大小与材料的特性、结构及构件刚度等因素息息相关。因为不同类型的结构体系的受力构件会在极限强度、截面面积和惯性矩等方面表现出极大的不同, 所以在极限承载力方面存在较大的差异, 以至于会在抗震性能上呈现出一定的差异。(2) 结构的整体延性和耗能性能。结构或构件的延性, 指的是其从屈服开始直至达到最大承载力后并没有出现回落的这一能力。即结构或构件的后期形变能力是通过延性来体现的。参考文献1宋毅.小高层住宅流行的新趋势J.中国科技信息, 2005 (11) :79. 2储涛.短肢剪力墙在小高层住宅建筑中的应用分析D.合肥:合肥工业大学, 2009. 3廖冬平.小高层住宅结构选型与经济对比D.广州:华南理工大学, 2010. 4赵长军, 曹万林, 张建伟, 等.基于宏观模型的暗支撑短肢剪力墙非线性分析J.世界地震工程, 2007, 23 (4) :16. 5张莉莉, 张良, 张玉品, 等.超高层建筑钢板剪力墙施工技术J.建筑技术, 2014, 45 (2

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