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高層結構設計問題及設計方法

作者 : 發表時間 : 2019/4/15 10:48:29

   1.引言
 
  近年來,鋼結構在我國建筑領域中得到了廣泛的應用,其具有抗震性能優越、節能性好、經濟指標高、可持續發展、施工高效等諸多優點。高層建筑鋼結構設計在工程中有著至關重要的作用,當前我國鋼結構設計水平顯著提高,但是也暴露出一些問題,因此,加強相關研究并解決、克服鋼結構設計中存在的問題具有重要的現實意義。
 
  2.當前高層建筑鋼結構設計中存在的問題
 
  1)設計市場存在一些混亂現象,鋼結構設計質量不佳:根據我國近年來高層建筑鋼結構設計情況來看,各大設計院往往承接了較多項目,且收費相對較高。但鋼結構部分設計費工且收費低,部分設計單位不愿意承接此類任務,或是在此方面設計經驗不足,將項目中鋼結構部分分包給其他單位,甚至是出現層層轉包的情況,部分設計單位并無資質,僅僅是用買來的圖標搞設計,最終導致嚴重的質量、安全隱患。對此,必須要進一步規范設計市場,加強資質管理,通過嚴格的檢查監督來保障設計質量[1]。2)設計深度不夠,鋼結構設計任務轉嫁給加工企業:目前不少設計單位鋼結構設計水平低,多數是剛畢業的新人承擔此類任務,普遍存在照搬規范、套程序的情況,設計成果質量不高,僅僅是給出“構件布置圖”,對關鍵的“節點”設計不分具體情況,原本應由設計單位完成的“節點構造”“支座詳圖”“施工安裝”等均交給加工企業,最終導致質量隱患嚴重。我國住建部明確規定,“施工圖設計”由設計院完成,必須將此規定落實到位,防止出現互相扯皮的情況。3)設計未充分考慮施工,使鋼結構建筑施工受阻:部分設計人員存在理論豐富、實踐不足的情況,不了解施工,不確定設計方案是否具有施工可行性,嚴重者甚至會導致施工事故的出現。目前,我國重大鋼結構工程均采用全焊接結構,存在結構體系復雜、相交于節點的桿件太多的情況,大量的高空對接必然存在安裝偏差,常采用強制構件就位措施,以致于桿件出現很大施工應力,設計人員必須考慮此類因素的影響,懂得焊接工藝,保證結構安全度。4)設計過于保守或激進,使得鋼結構建筑工程投資增大:目前,部分設計人員對復雜工程缺乏經驗,或盲目追求高標準,設計保守;或降低設計安全等級,設計激進。上述等問題的存在,極易因為設計方案不合理而影響工程投資,然而,工程投資的增大反而會使設計費增加,設計單位并未因工程浪費承擔任何責任,因此,必須要加強此方面的管理工作。
 
  3.高層建筑鋼結構設計方法分析
 
  基于上述問題的存在,必須要規范設計市場,科學開展鋼結構設計工作,具體可分為3個部分:方案設計(結構體系選型)寅結構分析與設計寅施工圖繪制。1)方案設計:此階段主要是合理選擇結構體系,其直接關系到整個結構受力性能,影響后續結構分析與設計合理性。2)結構分析與設計:此階段包括參數化設計、找形分析、靜力分析、動力分析、穩定性分析、彈塑性極限承載力分析、抗連續倒塌分析、支座設計和焊縫形式設計,具體流程如下:開始寅確定結構方案寅靜力分析寅動力分析寅彈塑性極限承載力分析寅抗連續倒塌分析寅節點細部設計寅結束。3)施工圖繪制:鋼結構設計施工圖繪制應由具備鋼結構專項設計資質或甲級設計單位完成,并提供給鋼結構施工詳圖單位進行深化設計。對此,鋼結構設計施工圖繪制必須要明確設計依據、荷載資料、建筑抗震設防類別和設防標準、結構布置、支撐設置、構件選型、構件截面以及結構主要節點構造和控制尺寸,確保鋼結構施工詳圖設計人員能正確體會設計意圖[2]。
 
  4.實例探析高層建筑鋼結構設計方案
 
  4.1工程概況。以某高層建筑鋼結構設計為例展開分析,此建筑位于市中心,占地面積3.6伊104m2,共計7座塔樓,A座為辦公建筑,高度212m(最高)、建筑面積7.8伊104m2,地上45層、地下4層。建筑平面呈東西長(65.2m)、南北窄(底部23m),高寬比、平面長寬比分別為9.22和3,可利用核心筒寬度8.6m、高寬比24.7。4.2結構選型與比較。本項目基于建筑形式的限制,結構短向抗側剛度低,對此決定采用立體構件,抗側力體系主要構件移至周邊,將承重構件與抗側力構件合為一體,以切實保證結構的安全度。在方案前提階段,開展多個結構方案比選,具體如圖1所示。經結構受力性能、建筑功能實現程度、結構經濟性等多方面對比后,決定采用方案6:雙向支撐框架鋼結構體系,具體如圖2所示。4.3結構分析。本項目設計指標如下:抗震設防烈度7度,類別丙類;場地土類別為II類;設計地震分組為第一組;小震阻尼比為0.02,大震阻尼比為0.05。采用MIDAS、ETABS程序進行結構整體分析,采用彈性樓板,必須考慮P-駐效應。4.3.1結構自振周期與振型。4.3.2地震作用下結構受力分析。本項目小震下層間位移角見圖3。對圖3分析可知,變形情況滿足設防目標要求。4.3.3罕遇地震下結構靜力彈塑性分析。本項目采用MIDAS、ETABS軟件開展靜力彈塑性分析,采用4種側向力加載模式進行如下推覆分析[重力荷載(初始荷載)用S表示]:(1)S+振型1(X向);(2)S+振型2(Y向);(3)S+X向加速度;(4)S+Y向加速度[3]。根據計算結果顯示,結構耗能減振機制良好,滿足設計要求,可達到大震不倒的目標。
 
  5.結語
 
  綜上所述,近年來鋼結構的發展面臨良好的機遇,因此,提高高層建筑鋼結構設計水平十分關鍵。在高層建筑鋼結構設計中,必須要科學開展結構體系的選擇工作,除了要滿足安全、適用、受力合理等要求外,還要考慮充分發揮鋼結構優勢與施工可行性等方面因素,落實相關結構計算分析,保證結構抗震效果良好、后期運行可靠。

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