不规则高层建筑结构设计要点分析+探讨超高层建筑地下基坑支撑结构设计.docx

不规则高层建筑结构设计要点分析摘要：在现代城市发展中，高层建筑已经成为不可或缺的一部分，在提高土 地利用率等方面发挥着重要作用。然而，由于建筑高度的增加、功能的复杂化， 结构造型越来越新颖，各种不规则情况屡见不鲜。与规则建筑相比，不规则高层 建筑在地震作用下极易发生严重的结构破坏，由此对结构设计提出了更高的要 求。基于此，对不规则高层建筑结构设计要点进行研究，以供参考。关键词：不规则结构;高层建筑;结构设计引言现代城市发展的过程中，涌现出了一系列造型别致的不规则性建筑结构，但 是在建筑强调美观的同时更重要的还是其安全性以及实用性，这种不规则的建筑 结构在发展的过程中也因此遇到了 些问题，需要相关设计人员细心的分析各种 因素并且找出相关结构的薄弱点，对整体结构的刚度进行合理的布置，以满足建 筑的实际需求。1不规则结构的定义不规则结构的出现源于人们对建筑外形、功能的追求，其在达到高层建筑各 种功能要求的同时，也满足了视觉审美要求。然而，此种情况也给结构工程师带 来了巨大挑战，不规则建筑结构的质心、刚心不重合，在地震作用下，极易发生 较大的扭转变形。目前，根据JGJ32010高层建筑混凝土结构技术规程（以 下简称高规）、GB500112010建筑抗震设计规范（2016年版，以下简称 抗规）对不规则结构进行了如下划分：1）平面不规则：包括扭转不规则、凹 凸不规则、楼板局部不连续等情况。其中，扭转不规则结构是指在规定水平力作 用下，楼层最大弹性水平位移（或层间位移）超过该楼层两端弹性水平位移（或 层间位移）均值的1.2倍;凹凸不规则结构是指平面凹进尺寸超过相应投影方向总 尺寸的30%;楼板局部不连续则为楼板尺寸、平面刚度出现急剧变化。2）竖向不 规则：包括侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变等情况。 其中，侧向刚度不规则是指该层侧向刚度未达相邻上一层的70%,或是未达其上 相邻3个楼层侧向刚度平均值的80%,除了顶层、出屋而小建筑以外，局部收进 水平向尺寸超过相邻下一层的25%;竖向抗侧力构件不速续主要是指竖向抗侧力 构件的内力通过水平转换构件朝下传递的结构;楼层承载力突变是指抗侧力构件 层间受剪承载力达不到相邻上一楼层的80%o2不规则高层建筑结构设计要点2.1 对不规则部件进行合理布局为了尽量减少施工过程中意外事故发生的可能性，在建筑设计这一环节需要 对不规则部件进行合理的安排布置，从而避免由于不规则部件散乱排布而出现的 较大幅度的扭转效应。除此之外，为了尽量保证建筑结构之间的稳定性，需要适 时地对偏心距做出合理的调整，进而改变平面的整体分布情况以及机构的空间分 布情况。相关设计人员还应该加强建筑边缘的相关结构的抗剪强度，从而最大程 度上降低外力因素对建筑结构的破坏。当高层建筑在受到双向水平的地震作用 后，在后续的弹性期间会导致建筑结构相应的形态因为回弹而不发生变化，但是 在非弹性期间会发生形态变化而造成偏心的现象出现，使整个结构处于受力不均 匀的状态下，为了实现更好的结构分布效果，应该适当的加强建筑边缘的结构强 度，减少外力对其的不利影响。2.2 框架梁的抗震加固在框架梁的抗震加固过程中，需重点落实的工作要点如下。（1）将梁的截面宽度稳定在20Omm及以下，将梁的截面高度与宽度之比稳 定在4及以下，将梁的净跨与截面高度之比稳定在4及以上；（2）将梁端纵向受拉钢筋的配筋率控制在2.5%及以下水平，且计入受压钢 筋的梁端混凝土受压区高度和有效高度之比不得高于0.35;（3）梁端截面的底面和顶面纵向钢筋配筋量的比，除按计算确定外，不得 低于0.3;（4）加密区的长度、箍筋最大间距及最小直径按规范完成确定，且当梁端 纵向受拉钢筋配筋率高于2%时，要促使箍筋最小直径应增加2mm;（5）沿梁全长顶面和底面的配筋，保证不低于214且分别不小于梁两端顶 面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4,框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直 径，不高于柱在该方向截面尺寸的1/20;控制梁端加密区的箍筋肢距始终稳定在 不高于250mm和20倍箍筋直径较大值的水平下。2.3 加强抗震性能为了确保超高层建筑的安全性和稳定性，建筑设计单位在建筑结构设计时付 出了巨大的努力，并取得了重大的突破。根据我国2016年最新修订的建筑抗震设计规范中提到，建筑结构可采 用振型分解反应谱方法，针对不规则建筑物、甲级建筑物和高度范围超限的高层 建筑，可采用时程分析法补充多遇地震的计算。可以取多条时程曲线计算结果的 平均值和多遇反应谱法计算结果的较大值。目前，“延性结构体系”是被建筑业采 用最多的传统抗震结构体系，即控制好建筑结构的刚度，但在进入地震时结构构 件进入非弹性状态，延性较大，以消耗地震能量，降低建筑对地震的反应，使建 筑物能达到“裂而不倒'的形态。采取摆动、滑移、悬挂隔震等措施，改变建筑结构的动力特性，降低结构的 地震反应，减少地震能量的影响，是一种极具发展前景的防震措施。超高层建筑 结构设计所选结构应满足建筑物的功能要求，经济合理，施工方便。除满足使用 要求外，还应尽量减少建筑的平面关系和形状，如开间、深度、层高、层数等， 柱网的布局和层高应尽量统一，标准层应重复使用。高层建筑的位移控制是首要 因素，除考虑平面形状和标高的变化外，还应提高结构的整体刚度，以减小结构 的位移。在结构布置上加强结构的刚度，加强构件之间的连接，使结构各部分以 最有效的方式协同工作;应加强基础的整体性，以减少由于基础的平移或扭转引 起的结构侧向位移的影响。同时，对结构薄弱部位和受力复杂部位应加强强度。2.4 合理选择假定计算条件及方法在工程设计阶段，设计师往往选择将楼板在平面内刚度无限大与不变形作为 假定条件。这一假定条件仅适用于多数高层建筑，而在部分高层建筑工程中，若 楼板部位存在开洞或是出现楼板变形现象，则上述刚性楼板假定条件不具备适用 性，如果仍采取原有计算条件与方法，将出现参数计算错误问题，并降低建筑结 构设计方案的可行性。因此，设计人员应结合工程情况，合理选择假定计算条件 与计算方法。例如，当存在楼板变形现象时，要着重考虑楼板变形问题所造成的 具体影响，采取楼板等效受弯水平梁简化计算方法,或对楼板划分单元进行处理, 运用有限元法加以计算。结束语综上所述，在设计工作中，应选择合理的处理方法，建立符合实际受力情况 的模型，达到设计成果的经济性、安全性。为了提升建筑的安全性，须注重对各 类结构参数进行选择，选取适用性较强的计算机软件，做好结构分析，设计满足 安全系数的建筑，提升设计效率。参考文献：1王磊.高层建筑不规则结构设计J.居舍，2020 (24)： 122-123.2胡昌德.平面不规则高层建筑结构设计分析J.绿色环保建材，2020 (08)： 72-73.引毛维帅.高层建筑不规则结构设计研究UL绿色环保建材,2020( 06)： 95+98. 探讨超高层建筑地下基坑支撑结构设计【摘 要】随着我国经济的快速发展，城市用地日渐紧张。越来越多的城市 建筑不得不向高层发展，这使得基坑的深度越来越大。深基坑支撑结构能有效保 证基坑施工场地与周围环境的安全性，减少在施工过程中对周边环境的影响。为 探寻更好的深基坑支撑结构设计方案，论文综合对比了传统的深基坑支撑结构和 与主体结构相结合的深基坑支撑结构，得出在一些特殊的施工情况下，与主体结 构相结合的深基坑支撑结构具有明显的优势。Abstract With the rapid development of China's economy, urban land is increasingly tense. More and more urban buildings have to develop to high-rise > which makes the depth of foundation pit larger and larger. The supporting structure of deep foundation pit can effectively ensure the safety of foundation pit construction site and surrounding environment, and reduce the impact on the surrounding environment in the construction process. In order to explore a better design scheme of supporting structure of deep foundation pit, the paper comprehensively compares the traditional supporting structure of deep foundation pit and the supporting structure of deep foundation pit combined with the main structure, and concludes that in some special construction cases, the supporting structure of deep foundation pit combined with the main structure has obvious advantages.键词】城市建筑;施工;支撑结构Keywords urban building; construction; supporting structure1超高层建筑地下基坑支撑结构的现状随着我国经济的快速发展，为缓解城市用地紧张的局面，现在许多新建的民 用住宅都选择采用高层甚至超高层建筑的形式。而一些城市的地标性建筑,例如， 上海的中心大厦、深圳的平安金融中心、广州的周大福金融中心等，也选择采用 超高层建筑的形式。而在超高层建筑设计中，最基本也最重要的则是超高层建筑 地下基坑支撑结构设计。如何既保证基坑与地下结构安全，又保证上层建筑的稳 定，同时，兼顾速度、经济、环保等多重要求，这成为现阶段我国超高层建筑地 下基坑支撑结构设计的主要目标。针对不同城市的不同地质水文条件等，我国主要采用了放坡开挖、重力式水 泥挡土墙、土钉墙支撑结构、排桩围护支护、地下连续墙等结构设计形式来确保 基坑施工过程中和今后的日常使用时的基础结构的安全性、适用性和经济技术 性。深基坑支撑作为基坑施工中的临时工程，施工单位为了节省施工时所需要产 生的支撑结构的经济额度，为缩短基坑施工所需要的时间，往往不够重视深基坑 支撑结构。这就需要施工单位与设计单位通力合作，在施工的过程中，提高重视 度，树立安全意识，在施工的过程中，多与设计单位进行沟通，了解设计目的、 施工难点等技术问题。2传统支撑结构存在的问题目前，在我国支撑结构设计中，在考虑土压力的影响下，多采用放坡开挖、 重力式水泥挡土墙、土钉墙支撑结构、排桩围护支护、地下连续墙等结构设计形 式。而这些较为传统的结构设计形式大多存在着或多或少的缺点。2.1 经济效益问题在传统的深基坑支撑结构中，都需要依靠支撑结构自身材料的强度、刚度等 安全维度来对抗来自侧向的土压力和来自结构上方的道路和原有的建筑的自重， 同时，还要考虑到道路四周汽车和人所产生的活荷载。这其中的钢筋用量之大可 想而知。大量的内支撑结构也被用到这些结构来维持整个支撑结构的整体性、稳 定性。对于现代高层居民住房或商场，都需要23层地下车库，这类建筑的设 计标高将达到16m甚至更大。在基坑四周的防水帷幕或是基坑围护结构都需要 用到大量的钢筋混凝土。地铁是现代人通勤常用的工具之一，在建设大型地铁站 时，如2条地铁线路相交的站，需要开挖的基坑深度更甚前者。地铁站的施工通 常都在城市的繁华地段，对于人们的出行带来了困难，也为施工沿路的商铺带来 经济损失。所以这些需要大量钢筋混凝土的基坑，还需进行拆除工作，所需要的材料、 人工以及对周边环境的经济影响极大。2.2 时间问题施工时，施工单位需要进行基坑的大幅开挖，并按照设计图将土钉、混凝土 桩按规定位置进行摆放，在使用外力机器的作用下，将这些支撑结构嵌入土中。 这些传统的深基坑支撑结构大多采用顺做法进行施工。应用顺做法进行挖土时， 先挖方至设计标高，再从下往上依次做底板、墙体和顶板等主体设施。所以施工 无法做到地上地下同时施工，只能按照次序，由下自上地进行施工。这个问题大 幅度降低了施工单位在施工主体结构时工作平台的参与度，从而大幅度增加了施 工所需要的时间。施工单位还需要对这些临时支撑结构进行拆除，这其中也需要 花费大量的时间。对于基坑的开挖，由于有大量支撑结构的存在，所以开挖受到 限制，如大型的开挖设备进场施工受到限制。传统基坑支撑结构的施工大多暴露 在露天环境下，而混凝土的现场搅拌、基坑的开挖等施工行为会受到施工场地的 气候影响。在雨天，这些施工行为都要暂停，对于夏季多雨的南方来说，这些基 坑支撑结构所需要的施工时间也会因为环境因素延长。2.3 刚度问题作为临时支撑的深基坑支撑结构的刚度较小，对于周边环境因开挖深基坑而 引起的变形控制能力较弱。如若控制不当，则可能对水管、暖气管等刚性管道带 来不可逆转的变形。同时，地面也会发生受力不均匀而产生地表沉降，进而引起 地表隆起，这需要在施工后进行基坑所在地附近的管道修复、地表整平。作为临 时性的基坑支护工程,在围护结构建设完成之后，还需对这些支撑结构进行拆除。 这使得围护结构不仅要承受巨大的土压力、水压力，还要承受拆除工程所带来的 二次受力和二次变形，在一定程度上降低围护结构的刚度，可能会带来地下室外 墙和底板收缩开裂等问题。2.4 施工问题超高层建筑所需要开挖的基坑深度远大于一些普通的高层建筑，而这其中也 需要大量的内支撑结构。这些基坑围护结构所需要的费用也随之大大提升。同时， 如此多且复杂的深基坑支撑结构也大大提高了施工单位在深基坑施工时的难度。 由于工艺流程的增加、施工工艺参数之间的相互限制，需减少在市区施工时对于 周围地理环境的影响，这些要素也都从方方面面提高了施工的难度。这也同时要 求施工单位的施工人员具有一定的施工知识、读图识图能力并且熟练地掌握并使 用施工工具。3传统支撑结构问题的解决办法在面对上述传统支撑结构的诸多问题时，近年来出现了一种创新的支撑结构 体系，即与主体结构相结合的支撑结构。这种支撑结构利用地下室的外墙，同时 利用地下室的梁板柱等受力构件共同对基坑进行支护，仅在一些施工段上运用传 统的支撑结构。这无论是对于钢筋用量，还是对于周边环境的影响都较小。在一 些城市建筑较为密集、临近建筑物沉降较为敏感的地方一般都优先采用这种支撑 结构体系。3.1 水平构件相结合与主体结构相结合的支撑结构体系主要依靠地下主体结构的水平构件一 梁、板等，这些水平构件相比于传统的基坑支撑结构，在基坑开挖过程中，能提 供更大的力，支撑刚度更大，对于基坑施工时可能产生的水平位移、变形等都有 较高的控制水平。同畤，传统的支撑结构体系在基坑施工完成之后需要进行拆除 工作，整体结构会受到二次受力和二次变形。自然对于土体的支撑刚度变大，所 以这种支撑结构有效避免附近道路的隆起，对地下管线的影响降到最低。这样不 仅减少了施工对环境带来的影响，也使得附近居民生活得到充分的保障。这种与地下主体结构相结合的支撑结构无需拆除，减少了整体结构受扰动的 可能性，整体刚度也相较传统的支撑结构更大，稳定性得到提高。这种结构体系 利用了地下室本本该有的受力构件，一个构件有2个用处：在基坑施工过程中， 作为基坑的支撑结构;在整个工程竣工后，又作为地下室的承力结构。该支撑结 构设计思路十分新颖，相比于传统的受力构件，不必进行临时支护，这种一举两 得的支撑结构，大大减少了在基坑施工过程中基坑支护所需要的钢筋。因此，在 这种设计思路下，钢筋用量也随之大大减少，随之而来的则是施工单位经济效益 的提局。3.2 竖直构件相结合与主体结构相结合的支撑结构体系则主要依靠地下主体结构的竖直构件 墙、柱等。在基坑支撑结构体系中，施工完成的地下室外墙也同样能承受来 自水平方向的土压力。地下室外墙就成为永久性的支撑结构体系，安全性也得到 提高。同样地，这样的结构体系也减少了施工工程中的钢筋用量。4结语当前，在周围建筑较多的城市施工时，越来越多的设计方案采用与主体结构 相结合的支撑结构设计方案。这样的结构设计方案有着费用低、施工快、影响小 的特点，这些特点无不契合了城市施工的要求。在超高层建筑的基坑支撑结构施 工时，应注重对施工场地的监测，重视施工时可能引起的土体偏移等不良现象， 对于产生的不良影响需采取有效的结构弥补方案。在目前研究技术水平不断得到 提高的大环境下，针对超高层建筑深基坑支撑结构的设计会在现有的设计基础上 实现突破。【参考文献】1王建华，左新明.深基坑支护结构与主体结构相结合的方式与特点J. 地质装备，2011, 12 (6)： 31-34.【2】陈寿长.与支护结构相结合的高层建筑地下结构的设计与实践J.建筑结 构，2013, 43 (S2)： 39-41.【3】岳建勇，周春，任臻，等.超高层建筑地下主体结构与深基坑支护结构 相结合的设计和实践J.岩土工程学报，2006 (S1)： 1552-1555.【4】蔡涛.高层建筑地下结构的设计与施工J.中华建设，2015(4)： 132-133.