13880490444

在線咨詢熱線

高層建筑物通常會用哪些手段抗風抗震?


高層建筑物通常會用哪些手段抗風抗震?

談到高層建筑,可能在很多人的印象中,所謂高層建筑指得就是那些動輒200米、300米甚至800米以上的摩天大樓。事實上,按照國家標準《GB50352 民用建筑設計通則》,高層建筑的正式定義是“10層及10層以上的住宅建筑和建筑高度大于24m的其他民用建筑(不含單層公共建筑)”。按照這個標準,城市地區有大批大批的建筑物都屬于高層建筑。

達不到高層建筑標準的,我們稱之為多層建筑。這兩者有什么區別呢?為什么要這么劃分呢?原因是多方面的,比如消防、占地等等因素。具體到結構專業,簡而言之,高層建筑需要更多的考慮抗水平力問題。對于相對低矮的多層建筑,一般而言,豎向重力荷載起到了主導作用。對于高層建筑,如何抵抗水平荷載則變成了重中之重。


蘇州建筑設計公司,蘇州市政設計院////

上圖中,左側示意圖是高層框架抵抗豎向荷載時的變形,右側示意圖則是高層框架抵抗水平荷載時的變形。

風和地震就是高層建筑最主要的兩種水平荷載。這兩者有共性,也有區別。確切的說,應該叫做“抗風抗震”,而不是“防風防震”。我們可以“防止”火災的發生,但我們無法“防止”風和地震的發生。哪怕沒有人類,地球上也一樣有風有地震,防是防不了的,我們所能做的只是被動的“抗”。

高層建筑如何抗風抗震?在設計過程的每一個步驟中,抗風抗震的要求是如何被考慮的,又是如何被付諸實施的?

方案設計階段

方案設計是高層建筑設計的第一步,也是反復最多、最耗時間的一步。在國內,結構工程師這一階段能做的工作不多,主要就是為建筑師提供咨詢。很多時候,方案設計甚至都不會讓結構工程師參與。但事實上,對于抗風抗震來說,方案這一步是非常重要的。

建筑物的體型對于抗震能力的影響非常之大,所以結構工程師的工作之一就是說服建筑師采用較為規整的造型。大自然是非常殘酷的,你敢奇形怪狀?地震來了第一個倒下!CCTV新樓那樣的,肯定要盡量避免;頭重腳輕的,也要避免;凹字形的平面、凸字形的平面,盡量都改成口字形的;8字形的平面也不好,盡量改成0字形的;h形的立面也不好,盡量用l形的立面,上下一樣粗,不要有突變;建筑樓板最好不要開大洞,比如商場那種大天井,從一樓抬頭看能看到頂樓……

對于抗風問題,主要是要控制建筑物體型的光滑程度。平面用圓形最好,橢圓也可以。大家常常見到很多高層建筑,平面明明是正方形或者長方形,但是角部被切掉了一小部分,整個平面形狀沒有直角或者銳角,也是出于這個考慮。建筑外表面也要盡量的光滑,各種裝飾性的突起要盡量避免。

方案階段的這些東西就決定了建筑物抗震抗風能力的上限。但大家可能也發現了,按照抗震抗風的要求,最好的方案就是最沒有特色的圓柱體或者正多棱柱。事實上,仔細觀察一下全球400米以上的超高層建筑,絕大多數也都是這個造型。但對于大多數的普通高層建筑來說,建筑設計追求的是參差多態、百花齊放,無法接受這種呆板的造型。結構工程師和建筑師的矛盾幾乎無法調和。

建筑物的先天抗震抗風能力的優劣,往往取決于結構工程師和建筑師誰在矛盾中占優。比如日本,基本會是結構工程師占優,所以日本的高層建筑,形狀非常的規整,柱網、平立面非常簡單。再比如國內,幾乎全部是建筑師占優,所以國內的高層建筑,各式各樣,眼花繚亂,開發商可以吹噓各種藝術風格,但卻沒有人去關心抗風抗震的問題。

初步設計階段

一旦方案定下來了,設計就進入初步設計階段。也就是說,要用努力去接近天分那個上限了。

首先,按照高層建筑所在地區的情況,確定地震設防烈度、基本風壓等設計參數。根據這些,在有限元計算軟件里確定合適的計算參數。


蘇州建筑設計公司,蘇州市政設計院////

其次,確定高層建筑的結構材料和形式??捎玫牟牧嫌泻芏喾N,鋼(S)、鋼筋混凝土(RC)、型鋼混凝土(SRC)。形式也有好多種,框架、剪力墻、支撐、框筒、筒體、巨型框架……材料和形式排列組合,結果有好多好多種,比如SRC筒體+RC框架,RC筒體+S框筒,RC剪力墻+S框架,SRC框架+S支撐……比如上圖就是林同炎的《結構概念與體系》一書的插圖,列舉了15種結構形式,這還不包括不同材料的組合。這些結構形式選擇并沒有絕對的優劣之分,只是因地制宜、因項目而異,與投資多少、場地條件、工期要求等等直接相關。就像同樣的程序,可以用多種程序語言達到差不多類似的效果,但效果、時間、成本都需要權衡利弊。

然后,就可以建模計算了。在有限元的數字化虛擬世界里,把你構想的這個高層建筑構建出來,讓它接受虛擬的數字地震和數字臺風的洗禮。計算完成后,分析計算結果,看看是否滿足抗震抗風的要求。比如說,地震作用下,RC剪力墻每層的側向位移不能超過層高的1000分之一(否則這一層容易在地震中折斷),每一層水平位移最大的那一點的位移不能超過每層平均位移的1.5倍(否則房子這一層會在地震中“扭腰”),柱墻軸壓比不能過大(否則會在地震中壓碎),梁柱不能超筋(否則會被地震掰斷),鋼支撐的應力不能過大(否則會在地震中被壓彎)……如果不滿足這些條件,就要調整設計,比如剪力墻挪個地方,框架梁變粗一點,SRC柱里的型鋼換大一號的,筒體的混凝土墻再厚一點……然后,重新計算,結果不滿足,繼續修改,繼續計算,直到結果滿足所有條件為止。但同時,為了經濟性考慮,結果又不能遠遠超過標準。事實上,因為地震力的大小直接與結構質量相關,柱子太大、墻太厚了也不行。最理想的情況是一個剛剛好的契合點,正好符合所有的要求。這就意味著結構工程師要不停的嘗試,不停的試錯,不夠不行,超了也不行。因此,整個建模計算過程極其的繁瑣、極其的耗費時間精力,是結構工程師日常兩大苦逼工作之一。

有同學問了,如果死活就是算不過怎么辦呢?各種修改方案都試過了,就是滿足不了抗震抗風的要求。這時候,就可以考慮用開頭列舉的那些“狼牙棒”手段了。分析一下目前的設計、計算結果,結合業主的資金狀況、工期要求,考慮一下用哪一種輔助抗側力措施最合理。舉個例子,比如說覺得TMD阻尼器最合適,那就要趕緊去聯系一個專門做TMD的技術團隊,類似拍電影的時候制片組要找一家專門的3D技術團隊。與這個技術團隊合作,把他們的虛擬TMD阻尼器添加到你的虛擬結構模型里,調整結構的整體阻尼,然后再計算,然后不斷調整結構設計和TMD的參數,直到結果滿足各項要求為止。

施工圖設計階段

結構模型計算完成,所有的抗震抗風問題都塵埃落定了。剩下的就是畫施工圖了,這就是結構工程師日常兩大苦逼工作之二。

按照初步設計階段的計算結果,鋼結構的施工圖具體到每個螺栓,每條焊縫;混凝土的施工圖具體到每一根鋼筋。施工圖的繪制并不是個機械重復的過程,而是需要考慮抗震抗風等方方面面的構造要求,非常復雜和繁瑣。這也是為什么現階段仍然是工程師人工繪圖,而不是計算機程序來自動完成繪圖。

比如說,混凝土梁端部的鋼筋不能不夠,也不能超過太多。因為地震來了,如果一定要有東西破壞的話,我們希望是梁斷了,而不是柱子斷了。梁斷了只影響這一層的局部區域,柱子斷了,就是從上到下的垮塌。所以,梁端的鋼筋不能無限制的配太多,否則,其實際承載力過大,地震的時候梁端不會壞,與它相連的柱端會破壞。

同時,梁里的鋼筋直徑種類不能太多,要不然施工的兄弟會崩潰的,在工地很容易弄錯弄混。但如果都用一種直徑的鋼筋,又不容易做到配的剛剛好。怎么取舍,這也是個很頭疼的問題……

施工圖繪制完成,交給審圖單位審核,然后會接到審圖單位的修改意見。按他們的要求改好,再交回去,直到審圖單位的工滿意為止。至此,結構工程師的主要工作就完成了。

綜合來看,一個高層建筑的抗震抗風設計,包括了方案階段的體型優化、初步設計階段的建模計算、施工圖階段的具體落實。過程非常冗長,也非常復雜。但總的來說,經過正式勘察、設計、審圖過程的結構設計,一般而言,在抗震抗風方面不會有太大問題。



蘇州建筑設計院,蘇州建筑設計公司,蘇州市政設計院


 

 

 

相關新聞

Top 亚洲人成网站在线播放动漫_久久精品人人爽人人爽快_亚洲无码偷拍视频_五月天婷婷男女视频0