浅谈高层建筑结构

浅谈高层建筑结构摘要：高层建筑不断增多，建筑的难度也在增加，这对建筑结构的设计人员是非常大的挑战。高层建筑与多层建筑在建筑结构方面是有着明显区别的，比如结构的概念设计、稳定性以及构件截面的设计等，这些都是非常复杂的设计内容。因此在如今高层建筑成为主流的情况下，需要对其结构设计进行充分的分析，本文分析的是高层建筑结构相关设计的要点以及注意事项，希望对高层建筑建设的发展是有所促进的。关键词：高层建筑；混凝土；结构设计1高层建筑的结构类型1.1框架结构体系整个结构的纵向和横向全部由框架构件组成的结构成为框架结构。框架既负担重力荷载又负担水平荷载。框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可提供较大的内部空间。但由于结构属于柔性结构体系，在水平荷载作用下，强度低，刚度小，水平位移大，在高烈度地震区不宜采用。目前，主要适用于10~12层左右的商场，办公建筑。如果过高，就要靠加大梁，柱截面来抵抗水平荷载，从而导致结构的不经济，因此在高层建筑的使用时应该重点考虑。采用框架结构的高层建筑，框架底层往往出现塑性变形集中现象。这是因为建筑地面以下基础部分的抗推刚度很大，相对而言，建筑底层的抗推刚度就很小，形成刚度突变。在遭遇地震时，建筑容易因框架底层的塑性变形集中而导致破坏。如果在框架的地上一二层采用型钢混凝土，可以减小该处的刚度突变。1.2剪力墙结构体系剪力墙结构中竖向承重结构全部由一系列横向和纵向的钢筋混凝土剪力墙组成，剪力墙不仅承受重力荷载作用，而且还要承受风，地震等水平荷载的作用。同框架结构相比，该结构测向刚度大，侧移小，属于刚性结构体系。从理论上讲，它可建造上百层的民用建筑（如朝鲜平壤的柳京大厦）；但从技术经济的角度来讲，地震区的剪力墙一般控制在35层，总高110米为宜。由于剪力墙的间距比较小，一般为3~6米，所以建筑平面布置不够灵活，使用受限制。1.3筒体结构体系凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，包括单简体、简体一框架、简中简、多束简等多种型式。简体是一种空间受力构件，分实腹简和空腹简两种类型。实腹简是由平面或曲面墙围成的二维竖向结构单体，空腹简是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。简体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。2高层建筑混凝土施工中存在的问题2.1材料问题（1）水泥质量问题：施工中为了确保粗细骨料能够良好地粘结在一起，必须使用到水泥材料，总结来说其主要存在两方面的质量问题：水泥硅酸盐物质硬化，受此影响会削弱水泥的粘结性；材料的水化热水平较高，此时往往会发生混凝土裂缝现象。（2）骨料质量控制：在进行混凝土制备时，需要使用到各类型骨料。对于粗骨料而言，其主要以大粒径砂石为佳，能够发挥出良好的支撑以及承压作用[1]。通常情况下，高层建筑的粗骨料粒径应＞5mm，为了提升粘结性能，要求粒径应控制在厚度的1/4范围内。关于细骨料，它的主要功能是填充粗骨料所形成的孔隙，要求其粒径应稳定在0.16~5mm范围内，从而与粗骨料一起发挥出承压的作用。应当明确，当粗骨料粒径偏大时，则会对水泥的粘结效果造成影响；而细骨料的配比不合理时，则会削弱整体承载性能。2.2施工问题不同的施工阶段对应的问题存在差异，具体做如下分析：准备阶段，主要体现在施工材料这一层面，常见的有混凝土配合比不佳、钢筋除锈工作效果差等；实施阶段，主要体现在工艺方法以及设备这两大层面，当所采取的工艺方法不够合理时，则会引发孔隙率较高等问题，如果设备的运行性能较差，此时则会对混凝土连续浇筑施工造成阻碍；最后，养护阶段，主要与现场养护环境以及材料有关，二者都会对混凝土的最终质量造成影响。3高层建筑混凝土施工质量控制3.1材料质量控制在整个钢筋混凝土结构的材料构成中，诸如水泥、砂石等都是尤为关键的材料。对此，在材料进场前安排技术人员做好检测工作，以合理的方式对其进行存放，不允许出现水泥受潮现象。合适的存放区域尤为关键，如果所在区域湿度较大，则容易引发硅酸盐物质粘结力下降的现象，而对于钢筋材料而言则需要做好防潮防晒工作，这是避免大面积锈蚀的基本举措[2]。在施工之前做好除锈工作，钢筋的布置应足够合理，诸如间距、角度等要合理控制，这是确保工作性能的基本保障。在展开混凝土浇筑施工前，应对混凝土材料进行全面检测，将掺杂在其中的大粒径粗骨料挑选出来；综合考虑现场实际情况，选用合适的外加剂，由此调节混凝土的整体性能，确保其能够达到工程所提出的强度等多方面要求。3.2施工质量控制在进行混凝土施工时，应当做好振捣工作，但此环节中不允许对钢筋的稳定性造成任何影响，否则将会引发拆模后露筋等问题[3]。基于分段或是分层的方式展开浇筑施工，综合考虑到模板所提出的光滑度要求，从而确定为木模板与钢模板相组合的形式。当结束浇筑施工后，则需要分析混凝土初凝以及终凝环节所对应的时间，当达到终凝状态后便可以展开压光处理，此后使用无纺布遮阳，借助于冷水达到降温的效果。如果混凝土构件对光洁度提出了较高的要求，则在拆模之后展开凿毛处理，而在浇筑施工之前对模板的清理工作也至关重要。4高层建筑施工技术要求4.1材料控制混凝土的质量与原材料有着密切的关联，要求其配合比必须合理，所使用的粗骨料粒径以3.2cm状态为宜，砂的含泥量应严格控制在1%范围内，粗骨料中的含泥量稍高一些，但需要控制在2%范围内，所使用中砂的模度系数并介于2.8~3.0区间内。在展开混凝土浇筑施工时，要求所使用的试块至少需要达到6组，并且均需要展开强度以及抗冻等性能试验，整个环节涉及到的操作流程与信息应得到全面的记录。4.2浇筑施工以合适的配合比进行混凝土材料的配制，在泵送环节坍落度尤为关键，其必须控制在100~140mm范围内，同时含气量需要在2%以内。伴随着实际情况的改变，可以适当增减用水量。由于高层建筑的特殊性，要求砂必须足够坚硬，泵送之前要对材料含泥量进行试验。在后续的浇筑施工中，应确保模板以及钢筋处于良好的状态，这是保障浇筑质量的基本前提，并参考设备的实际运行状态，确定出合适的分层以及分段长度。4.3刚性控制总结大量混凝土工程可知，两个构件的连接区域往往是质量问题的高发区，经常会出现裂缝等问题。具体来说，对于梁和柱等连接区域，可以使用施工缝的方法做进一步处理；而对于不同强度的交接区域而言，则需要设置在基础底板的上表面。如果采用独立基础的形式，则可以设置在梯形截面的变截面区域，这是确保能够与施工缝达到重合的基本举措。关于柱与梁，彼此对应的强度等级存在差异，所形成的交界面需要设置在距离柱为梁高的梁结构之上，此外还需要对于梁下皮等高区域的柱结构上进行浇筑施工，经此环节后所得到的浇筑强度要与柱强度达到统一水平。需注意的是，在对梁进行浇筑时要求混凝土必须施工到底板的平面区域，并且该区域不允许设置任何形式的施工缝，因此应遵循连续施工的原则。持续进行浇筑施工，当到达柱截面时，要求所使用的混凝土强度与柱结构对应指标达到一致的状态，最终将板的上表面作为柱混凝土浇筑施工缝。所以，当节点核心区的混凝土浇筑施工持续到板下平面区域时，此时要寻找到柱的截面位置，在此基础上设置出柱模板，且要求其支设高度与板厚达到同一水平。此外，梁板施工所使用的混凝土对应的强度等级应极可能相同。整个混凝土质量控制流程较为复杂。4.4后期养护当完成浇筑施工后，则需要采取合适的养护措施，其中又以温控工作尤为关键。为了防止混凝土发生裂缝现象，则必须做好温度控制工作，例如采取降温等可行的方式。当遇到大体积混凝土构件时，其对于质量提出了更高的要求，同时也更容易发生水化热现象，因此与之对应的养护方法需更为先进。在当前的高层建筑中，所使用的养护材料以无纺布以及水为佳，二者均可以带来良好的平衡结构温差的效果。4.5钢筋施工要点钢筋的使用需要严格的施工程序，严格吊装、拆分、焊接等的操作，保证建筑的稳定性。钢筋的外框要用全钢结构，可以运用三角形定理，确保钢结构的安全性。施工时要核对钢筋的数量，还要查对钢筋的质量，一定不能有瑕疵，也不能使用不合格的钢筋。施工的工作人员需要把钢筋捆扎，保证钢筋的质量，也不能偷工减料，从而降低了钢筋在水泥柱中的数量，使水泥柱的质量减低。钢筋技术在高层施工中，要对钢筋的质量进行控制，同时也要了解钢筋的重点部位，从而提高钢筋材质的质量。4.6测量技术要点高层建筑的地基是比较复杂的，测量也有许多困难，所以在测量的过程中会使用预制柱，但为了消耗量的控制，也可以使用浇柱的方法。(1)预制桩要点。我国的预制桩有两种类型，钢桩、混凝土桩。在高层施工中，这两种桩需要根据项目的要求进行，也会有不同的方式沉桩，当混凝土桩进行内部喷水的时候可以采用水冲桩的方法;(2)浇柱桩要点。浇柱桩使用时，要根据施工的项目和条件进行，所以在施工场地要有平整的地段。人工挖孔后，也要多对其进行安全管理。4.7电气工程技术要点在高层建筑中电气工程是一项较为重要的内容。当高层建筑对系统进行施工的时候，要注意各个用电场所安装位置，要有所预留位置，也要做好照明的管理，必须确保照明的安全，也要让照明在建筑外观上好看。由于高层建筑难度的增加，所以防雷也是比较重要的，施工人员也要做好防雷的工作。5高层建筑混凝土的结构设计5.1高层建筑混凝土结构设计的特点与多层不同，高层的建筑高度更大，层数更多，高层的抗震设计、构件承载力以及抗侧力构件设计，这些都是与多层不同。在高层的结构设计中，设计人员要具备非常丰富的经验，并且保持清晰的概念。对宏观以及微观的全面把控，让结构设计的思路更加合理。结构侧向力：多层的水平地震以及风荷载作用更小一些，所以不是主要进行控制的荷载。而高层的结构设计中，侧向水平力就会因为高度增加有明显的增大。结构延性：高层高度的增加，需要极强的结构延性，对地震的作用进行抵抗以及消耗。这样高层的结构就会在地震情况下也有不错的变形能力[2]。可以为人员的逃生提供更多的机会。结构刚度：结构高度增大，层数增加，就会导致本身的质量增大，结构受到的水平作用力就会变大，侧向位移与受到的水平作用力是线性关系，因此高层的结构设计中，竖向构件要把保持合理的位置以及数量，让结构具备更加科学的抗侧力刚度，降低侧向位移并满足极限状态下的使用要求。5.2高层建筑混凝土结构设计的要点首先是高层的结构设计需要重视概念的设计。由于以往的培养方式，让结构工程师对总体的方案关注不够，考虑的仅仅是细节的问题，结构设计就是规范以及计算，进行强度以及变形计算，但是对概念设计是有所忽视的。结构设计中概念设计的地位还是非常关键的，对后续的结构设计以及造价控制都是有直接的影响。因此设计人员需要重视概念设计，从总体的角度展开结构设计，对结构设计进行宏观上的方向把控，并明确自己的设计目标，确定好理想的承载力、延性以及刚度的目标，从而进行方案的部署。对整体的指标进行计算，完成整个结构设计。其次是高层的结构设计要注重刚柔结合。结构设计并不仅仅是追求整体的刚度来提升对地震的抵抗作用，这样就会造成极大的资源浪费，对结构也会造成非常大的伤害。良好的结构设计需要考虑到结构的承载力以及刚度，对风荷载以及地震力进行抵抗，在多遇地震的情况下，结构是在弹性工作下，第一防线屈服以后，结构还是有不错的变形能力以及延性，对地震作用进行消耗，结合实际的需求，设置多道防线。5.3高层建筑混凝土结构设计的注意事项（1）高层建筑的基础设计：高层的结构层数比较多，荷载也比较大，在结构设计中要高度重视基础的设计。高层的基础选型，要结合地质条件，因地制宜选取合适的基础形式。高层剪力墙的上部荷载是比较大的，多数是选择桩基础以及筏板基础。基础的设计不仅要考虑到承载力的问题，地基沉降也是要进行验算的关键环节，要选择地质情况比较好的土层，来作为基础的持力层，选择一些刚度好的基础，减少对建筑沉降量，让工程要求得到基本的满足。因为高层受到一定的水平荷载，容易出现结构倾覆，因此基础的埋深要达到要求，不能过浅，这是很多设计人员非常容易忽视的问题，会造成非常严重的后果。（2）选择合适的结构嵌固端：嵌固端位置的选择，对结构指标以及内里配筋会有