高层建筑的特点和新技术的应用

1高层建筑结构期末论文题目高层建筑的特点和新发展学院建筑与环境学院专业土木工程学生姓名肖春(1143052236)王琪（1143052229）梁鹏飞（1143052204）教务处制表2高层建筑的特点和新发展肖春王琪梁鹏飞【摘要】：随着科技和经济的进步和发展,高层建筑设计领域不断涌现新技术，新材料和新技术的引进使更舒适更安全的高层建筑成为可能，本文主要浅谈高层建筑的特点和高层建筑领域的新发展。【关键字】：高层建筑；特点；结构设计；新技术【Abstract】Withthedevelopmentoftechnologyandeconomy,somenewtechniqueshavebeenintroducedintotheareaofhigh-risebuildingdesign,whichmakesmorecomfortableandmoresecurehigh-risebuildingsaspossible,thepapermainlytalksaboutthecharacteristicsofhigh-risebuildingsandthenewprogressinthisarea.【Keywords】high-risebuilding,characteristic,structuraldesign,newtechnology1、高层建筑设计的特点1.1水平荷载成为控制因素高层建筑虽然与单层和多层建筑一样承受自重、活载、雪荷载等垂直荷载和风荷载地震作用等水平力。单层和多层建筑由水平荷载引起的内力和位移很小，可以忽略，但在高层建筑中，水平荷载产生的内力和位移随着建筑高度的增加而增加。把建筑看成一个简单的竖向构件，轴力与高度成正比且方向不变。水平力产生的弯矩与高度的二次方成正比，水平力产生的侧移与高度的四次方成正比而且水平荷载可来自任意方向并使结构内力反号，因此，水平荷载和地震作用是高层建筑设计的主要控制因素。1.2侧移成为控制指标3高层建筑结构设计需要保证结构具有足够的侧向抵抗力和侧向刚度，以保证结构因水平力而产生的侧向位移在规定的限制范围内。结构过大的侧向位移会产生系列严重的后果：1）过大的侧移会使结构因P-Δ效应而产生较大的附加内力,尤其是竖向构件,当侧向位移增大时,偏心加剧,当产生的附加内力值超过一定数值时,可能导致房屋的倒塌;2）过大的侧移会降低高层建筑的舒适度。由风荷载或地震作用造成的过大位移会对居住人员造心里上的不适感或恐慌。3）过大的侧移会造成非主体结构开裂破坏，机电设备管道遭受损坏，电梯轨道变形而不能使用等。4）过大的侧移会影响建筑的整体性和稳定性。主体结构(梁、柱、剪力墙等)的破坏会造成结构的失稳破坏。1.3轴向变形不可忽视在低层建筑结构分析中通常只考虑建筑所受弯矩，轴力因影响很小通常忽略不计。但对于高层建筑结构，情况截然相反。由于高层建筑高度大，因此轴力值很大，再加上因高度增长而带来的轴向变形增加，会改变高层建筑结构的内力和分布。对于高层建筑，轴向变形会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，使其负弯矩值减小。还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值对下料长度进行调整。另外，轴向变形对构件剪力和侧移也有一定的影响。考虑轴向变形影响时，因为考虑施工过程中竖向荷载是分层施加的，简单地按一次性加载考虑会得到不合理的计算结果。1.4抗震设计要求更高4有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。1.5减轻高层建筑自重比多层建筑更为重要高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基的情况下，减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层有突出的经济效益。地震效应与建筑的重量成正比，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑重量大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，还由于重心高地震作用倾覆力矩大，对竖向构件产生很大的附加轴力，从而造成附加弯矩更大。2、高层建筑施工的特点2.1高空作业高层建筑因其自身的特性，建筑材料的垂直运输量和建筑的高空作业量要比一般建筑大很多，高空作业不但要保证材料、设备到位，还要保证施工人员的人身安全，避免高空坠物。高层建筑的建筑材料不同于一般的建筑，主要以钢混结构为主，钢筋混凝土结构施工主要以现浇为主，进一步加大高层建筑施工的难度。2.2施工周期长低层和多层建筑的平均工期为10个月左右，高层建筑由于施工难度较大，工期通常为24个月以上，雨水、温度等不控制因素也会使工期的增长。2.3地基处理复杂高层建筑由于主体结构较高，为了实现整体稳定性，地基埋深必须大于建筑本身高度的十二分之一。若采用桩基础，埋深深度需达到建筑本身高度的十分之一，并至少有一层地下室。高层建筑的埋深一般要达到20m5以上，因此地基处理较为复杂，难度大。由于地基处理技术的多样性和方案选择的不同，所需的造价和工期也不同。2.4多方协作和集中管理高层建筑本身的结构较为复杂，技术含量高、工程量大，建筑施工过程涉及的单位人员多。目前我国高层建筑基本采取涉及、准备以及施工等环节同时进行，同一时期包括很多单位部门的相互协调配合，增加了高层建筑施工组织管理和协调的难度。3、高层建筑的新发展3.1高层建筑施工新技术1）逆作法逆作法多用于高层建筑施工中，其施工技术的原理是将高层建筑地下结构自上往下逐层施工，即沿建筑物地下室四周施工连续墙或密排桩，作为地下室外墙或基坑的围护结构，同时在建筑物内部有关位置，施工楼层中间支撑桩，从而组成逆作的竖向承重体系，随之从上向下挖一层土方，一同土模浇筑一层地下室梁板结构，当达到一定强度后，即可作为围护结构的内水平支撑，以满足继续往下施工的安全要求。与此同时，由于地下室顶面结构的完成，也为上部结构施工创造了条件，所以也可以同时逐层向上进行地上结构的施工。逆作法可分为：全逆作法：利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板对四周围护结构形成水平支撑。楼盖混凝土为整体浇筑，然后在其下掏土，通过楼盖中的预留孔洞向外运土并向下运入建筑材料。半逆作法：利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板中先期浇筑的交叉格形肋梁，对围护结构形成框格式水平支撑，待土方开挖完成后再二次浇筑肋形楼板。6部分逆作法：用基坑内四周暂时保留的局部土方对四周围护结构形成水平抵挡，抵消侧向压力所产生的一部分位移。分层逆作法：此方法主要是针对四周围护结构，是采用分层逆作，不是先一次整体施工完成。分层逆作四周的围护结构是采用土钉墙。逆作法可使建筑物上部结构的施工和地下基础结构施工平行立体作业，从而节省工时。受力良好合理，围护结构变形量小，因而对邻近建筑的影响亦小。施工可少受风雨影响，且土方开挖可较少或基本不占总工期。最大限度利用地下空间，扩大地下室建筑面积。大幅度削减了支撑和工作平台等大型临时设施，减少了施工费用。由于开挖和施工的交错进行，逆作结构的自身荷载由立柱直接承担并传递至地基，减少了大开挖时卸载对持力层的影响，降低了基坑内地基回弹量。推广应用逆作法，能够提高地下工程的安全性，可以大大节约工程造价，缩短施工工期，防止周围地基出现下沉，是一种很有发展前途和推广价值的深基坑支护技术。2）结构转换层施工技术高层建筑从功能上要求下部为大空间的轴线布置，而上部为小空间的轴线布置，这一要求与结构的合理与自然布置相反，这样的布置是因为高层建筑主要是下部楼层受力较，上部受力较小，所以结构布置时下部刚度大、柱网密、墙多，上部需要减少墙和柱并扩大轴间距，这使结构的正常布置与建筑功能之间产生了矛盾，为了满足建筑功能的要求，上部布置刚度较大的剪力墙，下部布置刚度较小的框架，为了实现这样的结构布置，必须在结构转换的楼层设置转换层。转换层内力的改向是通过引发截面内力来实现的，结构的内力分部比较复杂，因此一般转换层的结构构件尺寸较大，楼面荷载较大。7换层水平构件高跨比大，截面弯曲时水平纤维相对错动不可忽略，平截面假定不再适用，一般呈现短深梁或厚板的受力特性。采用二次叠浇法进行施工时应对叠和构件进行仔细分析，考虑分层处水平剪力对构件的影响，必要时应与设计单位配合，进行一次设计，确保一次叠浇构件在施工阶段和正常使用状态下的承载能力。分层浇筑，利用先浇部分构件承载转换层水平构件高跨比大，截面弯曲时水平纤维相对错动不可忽略，平截面假定不再适用，一般呈现短深梁或厚板的受力特性。采用二次叠浇法进行施工时应对叠和构件进行仔细分析，考虑分层处水平剪力构件的影响，必要时应与设计单位配合，进行一次设计，确保一次叠浇构件在施工阶段和正常使用状态下的承载能力。为减少对结构抗震的不利影响，避免转换结构上下层发生刚度突变和剪力突变，设计不落地支撑系统时可以结合下部结构进行灵活合理的布置。根据转换层设计时“强化下部、弱化上部”的原则，结构设计加强转换层下部主体结构刚度、弱化上部结构刚度，转换层结构在由地震荷载参加组合的工况下，下部竖向构件轴压比限值有严格的控制，以保证结构具有足够的延性这使转换层下部竖向构件在施工阶段比一般竖向构件具备更大的延性和承载力储备，可以利用下部承载力富余的竖向构件作为支撑的传力构件。在转换层结构中使用钢骨混凝土和预应力技术可以减轻自重、改善结构的整体抗震性能。设计模板支撑时可以利用己经成型的水平钢骨或预应力平衡部分或全部施工荷载，极大改善支撑受力性能，这种措施适用于转换层与上部结构没有形成整体工作的情况如上部采用的是小柱网框架或开口剪力墙、壁式框架等结构形式。3）混凝土泵送技术由于高层建筑对混凝土的强度要求较高，且体量较大，因此，均采用混凝8土泵送技术。而为了确保混凝土的浇筑功效，不仅要求泵送的混凝土应具有适当的配合比，而且还必须使用一定数量的混凝土泵机和布料机，其施工流程如下：现场布置泵机→配备好直管和弯管→固定混凝土浆液输送管→泵送水泥浆液→泵送混凝土。目前，我国的高泵程混凝土主要采用双掺技术，即掺化学外加剂和粉煤灰，其综合反映了混凝土的掺合料技术、外加剂技术和配合比技术等，使混凝土泵送的高程不断突破。超高压混凝土泵送技术经过几年的发展，已得到普遍应用，香港国际金融中心、上海环球金融中心、苏通大桥、南京紫峰大厦、欧洲第一高楼俄罗斯联邦大厦的建设都受益于混凝土泵送技术。3.2高层建筑的新材料1）高性能钢随着建筑向高层和大跨度方向迅速发展，对钢材的性能要求也越来越高。对钢材的性能要求主要在高强度、低屈强比、窄屈服幅和耐震性能等方面，除此之外，在可焊性、形状尺寸加工精度施工方面和耐久性等方面也有一定程度的要求。高性能钢有：高张力钢：有很高的屈服点及抗拉强度，具备充分的塑性变形能力。低屈服点钢：地震对建筑物输入的能量通过建筑物的特殊部位吸收，从而确保整个结构的安全，防止结构构件的安全，在这些部位应用低屈服点钢可以吸收地震能量。tmcp钢：建筑物的高层化、大跨度化需要钢材的高强度化、大断面化、极厚化来保证，建筑结构用的tmcp钢是热处理后得到的，不像以往一样加入碳元素。9sn钢：钢材具有足够的弹性性能和较好的机械性能，可焊性和吸收地震的能力。2）新rc结构1988年以来，进行了强度为58.8~117.6mpa的混凝土及强度为686~1176.6mpa的钢筋开发，并已用于超高层住宅中，现已有78.4mpa，98mpa的混凝土。3）cft结构继s结构、src结构、rc结构之后，它成为第四种结构。Cft结构体系就是用圆形或多边形钢管内填充混凝土，具有刚度大，耐久力大，变形能力强，防火性能好等优点。cft柱在受压和受弯共同作用下的强度和变形能力都有提高。3.3高层建筑结构体系的新发展1）统一测量仪器和钢尺量具2）实行全新的定位轴线与标高位置3）超高层建筑结构体系制作与安装的新型构建4）框架梁的制作与安装的创新通过对高层建筑结构体系的分析，强化高层建筑结构的耐久性与稳固性，在建筑钢筋的使用、轴线的定位、建筑结构的创新方面提出全新的发展策略，让高层建筑结构体系变得更加完善。3.4高层建筑的设计创新1）建筑主体创新艺术构思精妙的建筑主体设计