高层建筑结构的施工与设计探析

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【摘 要 】本文首先对高层建筑结构进行了概述,然后对高层建筑结构的施工与设计进行了探析,旨在与同行交流,达到共同提高的目的

【关 键 词 】高层建筑结构；施工；设计；框架结构；剪力墙结构；筒体结构

随着社会的的发展,特别是城市土地空间的日益紧缺,高层建筑逐渐成了建筑群中的主体,备受社会广泛关注.高层建筑结构的施工与设计是决定高层建筑质量的关键因素,因此,必须引起我们的高度重视.下面,笔者就高层建筑结构的施工与设计问题和同行朋友交流,有不妥之处,望海涵.

1.高层建筑结构的概述

1.1 高层建筑结构的定义

国际上对高层建筑作了如下的界定：第一类,9~16 层,高度不超过50m,第二类,17~25 层,高度不超过75m,第三类：26~40 层,高度不超过100m,第四类：40 层以上,高度100m以上.

1.2 高层建筑结构体系

一是框架结构体系.框架是指柱、梁等构件用结点连接的方式组成的结构.框架结构体系是高层建筑的主要结构单元形式之一.它具有建筑平面布置比较灵活,可空间形成的可能性较大的优点,但是也有不足,主要表现为：结构属于柔性,抗水平方向荷载、抗风力和抗震性较差；二是剪力墙结构体系.建筑物的内墙与外墙是剪力墙结构体系的主要承重骨架,一般是钢筋砼墙.剪力墙结构体系具有侧向刚度较大,能够承受的较大的水平荷载和竖向荷载.它的缺点是：平面被分隔成了小开间,不利于平面布置.它的主要施工方法是：大模和滑模施工；三是框架―剪力墙结构体系.框架―剪力墙结构不仅具有平面布置比较灵活,而且具有良好的水平荷载承载能力和抗震性能.这种结构体系适用15~30 层,高度在120m以内的高层建筑；四是筒体体系.顾名思义,筒体体系的承重结构是适当数量的筒体.整个筒体好像一个固定在基础上的封闭式的空心悬壁梁.这种结构不仅能够抵抗很大弯距,而且可以有效地抵消扭距,是一种抗侧力非常优秀的结构体系.

2.高层建筑结构的施工

2.1 高层框架结构的施工存在的现实问题

高层框架结构的施工具有如下的特点：一是采用全现浇钢筋混凝土结构的施工形式,主要是解决高强混凝土的制备和输送、无粘结混凝土的施工及解决模板组合问题；二是预制梁、现浇柱和楼板框架结构体系的施工.一种是先浇柱,再吊装预制的梁、板等；另一种是首先吊装预制的梁,然后浇柱,最后才吊装板.

2.1.1 混凝土强度不同的问题

为了既满足控制柱截面的要求又满足柱轴压比的要求,柱子在选用混凝土时,较高强度等级混凝土的选择已经成为首先.但是,对于楼层中以受弯为主要形式的梁板,没有必要也不适宜选择过高强度的混凝土.一是,强度较高的混凝土没有较好的抗弯承载力；二是,过高强度等级的混凝土不利于构件对非荷载应力(混凝土温度应力、收缩应力等)的承受.因此,才有“现浇框架的混凝土强度等级不宜高于0”的规定.

事实上,在工程设计中,通常采用C20～C35混凝土强度等级,作为适宜楼盖的混凝土强度等级选择.因此,从高层建筑混凝土框架结构的混凝土强度等级来看,柱混凝土的设计强度要高于梁板的设计强度已成为一种必然.随着建筑物高度的增加,柱混凝土与梁板之间设计强度的差距会越来越大.另外,需要特别指出的是,这种情况主要是在高层建筑的下部存在的比较多,表现较为明显.从目前来看,混凝土浇筑施工一般采用的是商品混凝土的泵送工艺,各施工单位习惯上将竖水平构件和竖向构件进行分批集中浇筑.如果需要梁柱节点实施单独浇筑,那么就会导致两个问题,一方面,由于对供应量和浇筑时间难以控制而出现质量事故；另一方面,梁板与节点区与之间的分隔具有较大的困难,故此,这种方法很难得到大面积的采用.

2.1.2 混凝土保护层厚度问题

在框架结构施工中,当柱边与梁边平齐时,梁的纵筋必须被柱的纵筋所包住,即柱纵筋的内侧是梁的纵筋.这时,平齐的梁侧存在着容易开裂的问题；另外,由于钢筋加工等原因,在高层框架结构顶层中节点外侧,其角钢筋保护层一般比较容易出现过厚和裂缝的问题.

2.1.3 梁柱节点箍筋施工问题

梁柱节点施工总体来说比较复杂,其主要表现在：节点构造比较复杂,而且钢筋分布比较密集,施工难度较大,特别是中间柱子上的钢筋纵横交错,不便于箍筋绑扎,采用整体沉梁时,无法绑扎节点区下部的箍筋,只好采取在梁柱节点部位采取少放甚至放柱子箍筋的措施,因此就会给工程留下较为严重的后患.

2.2 高层建筑框架结构施工质量控制措施

2.2.1 高层建筑的强度控制

一是配比的选定工作开始前,一般都要按照设计要求进行混凝土的配制.配置时,一般都要按照混凝土的不同强度等级进行,然后到法定机构进行级配试验,等到级配报告出来以后,根据级配再进行实验室配比（配合比试验）.二是,但是,这种方法也存在级配与现场施工过程不相符合的问题.因此,在实际操作中,实验室配比应该结合原料的含泥量、含水量对施工配合比进行适当地调整,以确保实验室配比在实际施工中的实用性和通用性；三是在实际施工操作中,应对原材料进行严格把关,必须保证沙石级配符合要求.若砂石级配不良时,应根据实际及时采取合理有效的策略进行调整,如掺入适量的符合质量要求的沙石等；四是应执行严格的养护制度.在高层建筑施工中,多采用泵送混凝土的方式.这种方式不仅能使施工周期大大缩短,而且能是混凝土的施工性能得到有效地改善；五是在某些工程上混凝土的使用情况来看,在原材料、配比、振捣等严格控制的情况下,仍然会出现混凝土强度不足的问题.究其原因,主要是因为抢工期而导致养护时间不足所致.

2.2.2 建筑裂缝的控制

一是建筑裂缝应坚持以预控为主的原则,等裂缝增大了,万不得已才采用取补救措施；二是裂缝类型分为以下几种那个类型：稳定、闭合、运动、愈合、不稳定等；二是在骨料内部凝固时,不可避免地会产生的微观裂缝,但从质量控制角度考虑,必须尽可能地减少；三是由于高层建筑与一般的建筑比较而言,不仅楼层更多,且带有地下室,其混凝土混凝土用量更大,强度更高,所以,更有可能产生裂缝；四是在施工时,可采用“放”的措施.砌筑填充墙到接近梁底使,留出一定的高度,砌筑完后,应至少间隔一周,宜15天后进行补砌并挤紧；合理地进行分缝分块施工；在墙板、柱、梁等变截面处,应进行分层浇捣等；五是采用“抗”的措施：尽量采用混凝土外加剂和掺合料,尽量使用强度等级较低的水泥,降低水泥用量.无数实践证明,1立方米混凝土的水泥用量每增加10千克,混凝土在水化热的作用下其温度就会升高1摄氏度.高层建筑的混凝土用量较大,常常有较大大体积的混凝土,从经济和实用的角度考虑,都应掺入外加剂.当然,在掺入外加剂后,要对早期强度的影响程度进行充分的预计.为了确保设计的科学性,可以提请设计科研部门指导和评定；六是选择合理的粒径最大的砂石,尽量避免少用粒径较小的砂石,这样可以使水和水泥用量得到有效地减少,减少水化热、收缩和泌水；七是在混凝土振捣时,应避免漏振和过振,提倡二次振捣和抹面,尽量使水分和气泡从混凝土内部排除；八是采用“放”、“抗”结合的办法.在混凝土裂缝预防工作中,对新浇混凝土实施早期养护非常重要.为使混凝土在早期时尽可能地减少收缩,需对构件进行必要的湿润养护,有效地控制表面水分蒸发速度,避免因蒸发过快而产生较大的收缩,同时,混凝土因为受到内部约束而导致开裂；九是做好大体积混凝土的养护工作,必须采取必要的措施,如进行通水排热和散热孔的铺设等,由此而可以有效地避免集中出现水化热高峰的现象,同时,在养护过程中,应重点对表面、中间和底部温度实施跟踪监测的办法,这在前3 天尤为重要；十是混凝土浇筑以后,其内部最高温度和外界气温应控制在25℃以内为宜,可以有效地防止混凝土产生裂缝.

2.3 高层建筑剪力墙结构施工

2.31 高层建筑剪力墙结构中钢筋工程的施工

在高层建筑剪力墙机构中钢筋工程的施工中,对于直径小于12 的钢筋接长,一般采用绑扎的连接的方法.连接时,应注意以下几点：一是墙体的钢筋比较细,对于上下层钢筋的接长而言,一般采用绑扎连接.在浇筑过程中,钢筋网片往往容易发生向外或向内的位移.为有效地防止出现这种现象,可在竖向钢筋搭接范围点焊通长水平筋,以防止钢筋位移；二是进行楼绑扎板钢筋时,要确保放置的垫块和马凳筋的数量,以保证钢筋保扩层间距和厚度满足施工规范的要求；三是将电线管在楼板中进行铺设时,要设计好路线,防止不同楼层电线管出现互相叠放的现象,从而致使进行楼板浇筑施工时,在电线管叠合处出现局部超厚的问题.如果这样的话,就是造成整个楼板找平后不符合设计标高,给下一道工序带来一些比较麻烦的问题.

2.3.2 高层建筑剪力墙结构中混凝土工程的施工

一是根据高层建筑剪力墙结构中混凝土工程的特点和施工条件,墙内混凝土也应是采用一次性浇筑的方式；二是应按照按高强度等级混凝土的规定进行施工.一般采用的是商品预制混凝土,其为C6的设计强度等级；三是在进行凝土浇筑时,必须对型钢柱内混凝土表面进行积水和杂物的清除处理,尤其在箱型钢柱内,必须做好相关的保护措施.先浇筑一层100～200mm 厚的水泥砂浆,它的强度等级与相应的混凝土强度等级相同,以避免因混凝土粗骨料的自由下落产生弹响而影响接头质量；四是由于模板内柱筋、梁筋和型钢柱相互交叉,比较分散且空隙比较小,因此,每次分层下料时,其高度必须控制在500mm以内.进行振捣时,一般在选用振动器类型时,应选用长插入式高频振动器,必须保证垂直点振,防止平拉.等到充分振捣,其密实度达到施工要求后,再逐步实施分层浇筑一直到顶；五是由于混凝土的流动性被劲性墙中的型钢所限制,振动棒应四面对称插入进行振捣,投料也应该从四面进行,这样可以有效地防止钢柱受扭,使劲性墙中的混凝土浇筑的密实性达到施工要求.

2.3.3 高层建筑剪力墙结构中剪力墙施工的质量控制

（1）施工前的技术准备工作

一是确保设计图纸的会审工作的质量,把规范、标准图集和工程经验结合起来,仔细检查复核结构图、建筑图和水电施工图,尽可能地将图纸中的存在问题找出来；二是重点查看细部标注尺寸、轴线尺寸、标高等是否有误,各种构造设计是否具有可行性；三是结构配筋是否有误,节点复杂部位的钢筋是否合理,能不能满足保护层厚度和振捣要求,是否存在漏配钢筋的现象,配筋平面图与配筋详图是否一致,有无配筋明显超标的现象；四是水电埋管留洞是否符合建筑结构,各部位建筑详图的设计是否具有可操作性,各部位建筑方法的设计是否科学,水电埋管的密集程度是否得当,是否对结构截面有不良的影响；五是水电消防等专业是否有相互干扰的现象,是否对施工有不良的影响.

（2）边梁钢筋绑扎注意事项：

一是对现浇钢筋混凝土框架结构,当边柱与边梁靠齐时,由于梁纵筋要从柱竖筋的内侧通过,致使在梁外侧的混凝土保护层超过施工规范,(通常要达到50mm 以上)；二是针对这个情况,应减少梁箍筋的宽度,确保梁箍筋角部与梁两侧纵筋紧紧相贴；三是,在实际施工中,很少有施工单位采取减少梁箍筋宽度的办法,梁箍筋外侧被悬空,没有梁纵筋与之连接固定,因此梁纵筋与梁箍筋很难保持正交关系,大大降低了框架边梁受力的可靠性.

（3）梁柱节点钢筋绑扎要点

一是当有超过四个方向的梁从梁柱节点穿过时,通常会使加梁面筋保护层加厚,其厚度一般会远远超过设计规范标准,从而增大梁的承载压力.因此,一旦发现此类问题,应及时放映给设计人员,并对梁的承载力进行重新核算,同时重新确定梁箍筋高度.工程实践中,往往习惯强行抬高位于跨中区的梁面筋,这种做法不仅不能提高梁的承载力,相反,还会使施工费用大大增加.

（4）钢筋电渣压力焊接头质量控制

一是在工程实践中,通常出现墙柱钢筋电渣焊接头焊包不匀的质量问题；二是究其原因主要是钢筋纵向轴线与钢筋接头端部截面不是相互垂直,结果导致在焊接完成后,并在向下开始挤压时,出现用力不均的问题,最终导致焊包均匀度严重不够,进而还有可能使钢筋接头的强度降低；三是针对这种情况,可以采用以下方法解决：在正式焊接前,先将钢筋接头端部用气割削平,以保证切后与纵向轴线相互垂直,并对表面进行清理.

2.4 高层建筑筒体结构的施工

高层建筑筒体结构的施工具有如下特点：一是工程

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2.4.1 曲面悬臂爬升模板设计与施工

本文介绍一种单面式曲面悬臂爬升模板,它主要是采用的是定型组合方式而进行设计制作的.这种模板主要是由支撑系统和模板层组成.模板层分为上层、中层和下层,上层是模板层,中层是受力层也是操作层,而下层的作用主要是用来调节前两层并且可以装饰混凝土.模板施工时,一是把高强度预埋拉杆和定位锥体一起固定在混凝土模板的第一层,进行第一层混凝土浇筑.二是当第一层混凝土达到一定强度后,把一层的定位位置变成悬挂点,把定位椎体转变成承重椎体,然后把模板与混凝土表面相分离后,提升到2层,然后,以同样的方法转换到第三层,依次类推；三是当模板提升到各个层的预定高度时候,需要在模板下加挂悬挂工作平台,此时模板和平台成为一个统一的整体,再次提升时,就将这个整体再次提升到更高的预定位置.

2.4.2 胶合板大模板工艺在高层筒体结构施工中的应用

施工过程:一是清理混凝土板面,然后放好墙身线并同时在距离墙身线30cm处放道就位控制线,以便校核模板和钢筋是否准确到位,如果有偏离应立即调整；二是在筒体结构的各层外侧混凝土面上焊￠16短头钢筋,相距2m,外露100mm,以便于大模板支撑就位；三是拆模时候,只拆内侧大模板,然后进行隐藏检查,隐藏检查完毕后,将筒体外侧大板吊滑到位,放置和墙厚等长的塑料管和穿墙螺栓起限位作用,方向要垂直于模板.

2.4.3液压整体提升模板在筒体结构工程中的应用

液压整体提升模板体系由承力提升架,钢平台主梁和次梁,钢平台板,悬挂内外脚手架操作架,钢框金属网围护板,钢框木胶合板大模板等构件组合而成.整个施工工艺流程可以分成两个阶段:提升阶段和稳定操作阶段.提升阶段考虑的荷载有模板系统的自重以及少量材料堆载,稳定施工阶段考虑的荷载有模板系统的自重和全部堆载.钢平台提升后是中间搁置转换过程,然后是稳定操作过程,这些过程均需要有训练有素的专门的施工小组来完成,因为这种施工方法对施工人员的施工素质有很高的要求.

3.高层建筑结构的设计

水平荷载起控制作用,侧面位移必须加以限制,轴向变形在侧移中占有很大的份额, 所以在结构体系选型时应充分考虑这几个特点.对于低层、多层或高层建筑,其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的.但随着高度的增加,由于以下两个原因,竖向结构体系成为

设计的控制因素：一个是较大的竖向和要求有较大的柱、墙和井筒；另一个更重要的原因是, 侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多,高层建筑结构设计人员必须以精心设计来保证.

3.1 高层建筑结构设计特点

3.1.1 水平荷载成为决定因素

一方面,因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩,以及由此在竖构件中引起的轴力,是与楼房高度的两次方成正比；另一方面,对某一定高度楼房来说,竖向荷载大体上是定值,而作为水平荷载的风荷载和地震作用,其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化.

3.1.2 轴向变形不容忽视

高层建筑中,竖向荷载数值很大,能够在柱中引起较大的轴向变形,从而会对连续梁弯矩产生影响,造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响,故要求根据轴向变形计算值对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响,如考虑构件竖向变形比较,会得出偏于不安全的结果.

3.1.3 侧移成为控制指标

与较低楼房不同,结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素.随着楼房高度的增加,水平荷载下结构的侧移变形迅速增大,因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内.

3.1.4 结构延性是重要设计指标

相对于较低楼房而言,高楼结构更柔一些,在地震作用下的变形更大一些.为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力,避免倒塌,特别需要在构造上采取恰当的措施,来保证结构具有足够的延性.

3.2 高层建筑结构关键设计

3.2.1 框架结构

一是基础系梁的设置问题.如果基础埋置深度较深时,可以用基础系梁减少底层柱的计算长度,在±0．00 以下设置系梁,此时系梁宜按一层框架梁进行设计,同时系梁以下的柱应按短柱处理；二是框架结构薄弱层的判定与处理.薄弱层是对抗震极为不利的结构层, 原则上应避免出现薄弱层.避免出现薄弱层的最基本方法是加大该层的抗侧移刚度,即加大该层的柱截面或梁截面；三是短柱问题.短柱在地震作用下,容易发生脆性破坏.处理短柱主要是增加柱的抗剪承载力及改善其变形能力, 一般采用复合箍筋,箍筋沿全高加密；保证短柱的纵向钢筋对称布置,且每侧的纵向钢筋配筋率不宜大于1．2％的方式处理,也可以采用外包钢板、配x 形钢筋等方式处理.

3.2.2 剪力墙结构

在地震区剪力墙除保证有足够的承载力外,还要保证有足够的延性,以提高整个结构的耗能能力,改善结构的抗震性能.在剪力墙墙肢截面设计时,当纵横向剪力墙连成整体共向工作时,可将纵墙的一部分作为横墙的翼缘加以考虑.同时也可将横墙的一部分作为纵墙的翼缘予以考虑.在框架剪力墙结构中,剪力墙常常和梁柱连一体,形成带边框剪力墙.因此,剪力墙墙肢常常按矩形截面、T 形截面或工字形截面进行设计.在剪力墙中一般需要配置竖向钢筋来抵抗弯矩,配置水平钢筋来抵抗剪力的配筋形式基本上同框架梁.剪力墙结构往往应用于住宅和旅馆客房开间较小、墙体较多的建筑中.

3.2.3 框架剪力墙结构

当框架体系的强度和刚度不能满足要求时,往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架,便形成了框架剪力墙体系.框架剪力墙结构体系是把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系.这种结构既具有框架结构布置灵活、使用方便的特点,又有较大的刚度和较强的抗震能力.在承受水平力时,框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系.在体系中框架主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平剪力.框架剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型,剪力墙的设置,增大了结构的侧向刚度,使建筑物的水平位移减小,同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀,所以框架剪力墙体系的能建高度要大于框架体系.

3.2.4 筒体结构

凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系,包括单筒体、简体一框架、筒中筒、成束筒等多种形式.简体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类型.筒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.以筒体一框架结构为例.核心筒应具有良好的整体性,墙肢宜均匀、对称布置,简体角部附近不宜开洞,当不可避免时,筒角内壁至洞口应保持一段距离, 以便设置边缘构件, 其值不应小于500mm 和开洞墙的厚度； 核心筒外墒的截面焊度不应小于层高的l /20 及200mm,对一、二级抗震设计的底部加强部位不宜小于层向的l /16 及200mm,当厚度不能满足上述要求时,应通过稳定验算,必要时增设扶壁墙；在满足承载力要求,以及轴压比限值时,核心筒内墙可适当减薄,但不应小于160mm.

总之,高层建筑结构的施工与设计是一项复杂重要的工作,我们应加强对高层建筑结构的施工与设计的探究,创新施工和设计方法,提高施工与设计技术水平,以便更好地为社会主义现代化建设服务.