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在工业与民用建筑建筑中,多层及高层房屋的类型繁多,应用甚广。但多层和高层房屋之间并没有明确的界限和特征,根据国际房屋建筑会议和分类,一般指9层及9层以上的房屋为高层房屋,9层以下的房屋为多层房屋。当房屋的总高度超过100米时,则称为超高层房屋。
随着房屋高度的增加,房屋所承受的水平荷载也愈大,房屋的高宽比也愈大,其侧向刚度也就愈差。因此,随着房屋高度的的增加,如何有效地提高结构抵抗水平荷载的能力和侧向刚度,也就成为主要问题,必然对结构体系带来变化。所以随着房屋由低层向高层的发展,其结构体系也就由混合结构发展为钢筋混凝土的框架结构、框梁剪力墙结构、剪力墙结构和筒体结构。
结构体系与施工方案有密切的关系,在进行多层及高层房屋设计时,应同时研究施工条件和施工方案,施工时,则要深入了解结构体系的特点及其对施工的要求,方能正确选择施工方案。
多层与高层房屋主体结构的施工,有相同和不同之处。逐层施工的方法和各工种的施工工艺是相同之处;而房屋建筑对起重机械和脚手架的特殊要求,以及高空作业因“高”而带来的施工差异,则是不同之处。
一、框架体系
框架体系具有平面布置灵活,容易满足生产工艺和使用要求,梁、柱、板等构件便于定型化,能实现工业化施工,所以在多层及高层房屋中是应用较多的一种结构体系。框架结构的形式主要有梁板式和无梁式两大类。梁板式框架是由柱、主梁、连系梁及楼板组成。根据梁板布置方向不同,其承重方案有横向框架承重,纵向框架承重,纵横向框架承重,纵横向框架混合承重等三种。
框架按节点构造不同,又有铰接点和刚节点之分。若纵横与柱连接均为刚接,则称横刚纵刚方案;纵横梁与柱连接均为铰接称横铰纵铰方案;若横梁与柱刚接、纵梁与柱铰接,则称横刚纵铰方案。
装配式框架的全部构件均为预制,然后进行吊装。其优点是节约模板、缩短工期,但是连接节点的用钢量大、焊接工作量大,尤其当荷载大、振动大,需采用刚性连接时,节点的构造较难处理;且在焊接时,必须注意消除焊接变形和焊接应力。为了减少焊接工作量,亦可采用预制现浇接头的施工方案。
无梁式框架,无梁式框架由板和柱子组成,具有板底平整、室内净高有效利用等有点。无梁式结构类型较多,有现浇整体无梁楼盖、有装配式无梁结构、有采用升板法施工的升板结构、有装配整体式的板柱结构、还有整体预应力装配式的板柱结构。
整体预应力装配式板柱结构,这种结构的基本构件是板和柱,全部为非预应力的预制构件。柱无牛角。板为密肋板,板角留有直角缺口,和柱的两侧面有2厘米的空隙。施工时,先将柱立好后,即可将板吊至楼层标高位置,在四角暂时用临时支托支承在柱上,并在板和柱的空隙内以早强标号的水泥砂浆,然后对整个楼层纵横方向施加预应力。预应力筋通过板的纵横板缝和所有柱子的预留孔道,最后锚固在外柱的垫板上。这样,柱夹板、板夹柱、整个楼层全部板柱均被双向预应力筋连为一整体。楼层施加预应力后,即可拆除柱上的临时支托,板依靠摩阻力直接弹性固结在柱子上。这种板柱节点称为“摩擦节点”。最后在板缝内浇筑混凝土和在柱的预留孔洞内灌上浆,即形成整体预应力装配式的板柱结构。这种结构装配程度高,整体性好,抗震能力强,是一种与我国传统做法完全不同的新型结构体系。
二、框架剪力墙体系
当多层房屋向更高层的层数发展时,采用框架体系会产生不少矛盾。首先,从强度方面来看,由于层数和高度的增加,竖向荷载和水平荷载产生的内力都要相应加大,特别是水平荷载产生的内力增加的更快。其次,从刚度方面来看,随着房屋高度的增加,高宽比也逐渐增大,由于框架结构本身柔性较大,在水平荷载作用下,侧向变位也往往成为必须控制的因素。因此,当层数较高或地震烈度较大时,如要满足强度和刚度的要求,框架下面几层的梁柱面积尺寸就会增大到不经济甚至不合理的地步。为了解决这个矛盾,往往需要增设一些刚度较大的剪力墙来代替部分框架,使水平荷载的大部分由剪力墙来承担,用以提高结构抵抗水平位移的能力,而框架主要承受竖向荷载。这样就产生了框架剪力墙这种新的结构体系。此种体系的施工方案,剪力墙部分多用大模板现浇;框架部分施工则同框架体系。也可采用滑模或以升代滑的施工方案。
三、剪力墙体系
随着房屋层数和高度的进一步增加,需要设置较多数量的剪力墙来提高房屋的抗测力性能,这样就形成了剪力墙体系。剪力墙体系可采用滑模或大模板施工,亦可采用隧道模和提模、翻模等方法施工。当用滑模施工时,楼盖结构可用预制板,亦可用降模法现浇,还可用工具式模板使滑升墙体与浇筑楼面交替进行。装配式大板建筑,实质上亦为剪力墙体系,但由于连接节点的整体性、强度和延性较差,抗震性能较低,所以目前仅用于十二层以下的民用房屋中。
四、筒式体系
当房屋由高层向超高层发展时,其结构体系进而从平面结构向空间结构发展,形成了筒式体系。筒式体系就是在房屋中设置刚性筒体以抵抗水平力。它可利用房屋中的电梯井、楼梯间、管道井以及服务间等作为核心筒体,也可利用四周外墙作为外筒体。核心筒体和外筒体均属单筒体系。此外,还有由外筒和内筒组成双筒体系,也称筒中筒体系。筒体常与框架结合在一起,水平荷载由筒体承受,框架主要承受竖向荷载,它在建筑布置和使用方面都比较灵活,是超高层建筑结构的一种较好体系。此类结构施工方案,筒体部分可用大模板或滑升模板浇筑,框架部分亦可用滑模或工具式模板现浇;楼面结构则用台模、定型组合式模板或永久式模板浇筑。此外,还有用悬挂式结构体系的房屋建筑,它中间部分为一刚性很大的筒体,筒的顶部有悬臂,各层楼板结构即由钢缆悬挂在中央筒体上。这种结构,中央筒体的施工亦可用滑模方法等浇筑;楼板则与升板法相似,在地面迭浇预制,然后提升就位固定。筒体体系的建筑,按筒体的形式、布置和数目上的不同,通常分下面的幾种: 1) 如果利用空间受力体系的筒体结构来抵抗水平荷载,利用建筑平面上的电梯间、楼梯间或管道井等组成的核心筒来抵抗水平荷载,或利用建筑物四周的外墙来组成外筒以抵抗水平荷载的结构,均称为"单筒体结构"。2) 如果外筒体和内核心筒体同时存在并共同抵抗水平荷载的结构称为"筒中筒结构"(包括双筒体、三重筒体等)。3) 整个建筑物的外墙由刚度很大的窗裙深梁和间距很近的密排柱形成空间网络所组成的直立多孔筒体,称为"框筒结构"。在高层建筑平面尺寸过长,也需要设置变形缝。 综上所述,目前设计中究竟采用哪种结构体系,要经过方案比较确定,这主要要看拟建建筑物的高度、使用要求、施工条件和经济比较而定。 框架结构──如果拟建建筑物为宿舍,高度又比较高,就选择剪力墙结构,因为居住建筑要有足够的隔墙。 框-剪结构──当建筑物的底部需要设商店和大开间的门厅、餐厅时,则采用框支剪力墙结构;再如建建筑为高层办公楼或公寓,当高度不太高时,宜采用框-剪结构。 简体结构──当高度较高时,宜采用外框架、内核芯筒结构;再高时,则最好采用筒中筒结构,即采用外框架筒和内核芯筒结构。这类结构外框架筒可以开窗,以满足采光要求,在内筒中布置电梯井、管道竖并及生活间等。
就主体结构的施工而言,高层建筑与多层建筑的施工技术有相同之处,也有不同的一面。从逐层施工的方法来看,基本相同。但从整个建筑来看,并不相同。主要原因是由高度增高、体量增大,带来了施工的差异。
正是由于多层及高层建筑自身的特点,施工工艺技术要求高,其设计与一般建筑有很大的不同,对结构的安全度要求特别高。因此,在多层及高层建筑施工中应从各个方面严把施工质量关,同时灵活的将建筑与结构统一以确保整个多层及高层建筑工程的质量。
随着房屋高度的增加,房屋所承受的水平荷载也愈大,房屋的高宽比也愈大,其侧向刚度也就愈差。因此,随着房屋高度的的增加,如何有效地提高结构抵抗水平荷载的能力和侧向刚度,也就成为主要问题,必然对结构体系带来变化。所以随着房屋由低层向高层的发展,其结构体系也就由混合结构发展为钢筋混凝土的框架结构、框梁剪力墙结构、剪力墙结构和筒体结构。
结构体系与施工方案有密切的关系,在进行多层及高层房屋设计时,应同时研究施工条件和施工方案,施工时,则要深入了解结构体系的特点及其对施工的要求,方能正确选择施工方案。
多层与高层房屋主体结构的施工,有相同和不同之处。逐层施工的方法和各工种的施工工艺是相同之处;而房屋建筑对起重机械和脚手架的特殊要求,以及高空作业因“高”而带来的施工差异,则是不同之处。
一、框架体系
框架体系具有平面布置灵活,容易满足生产工艺和使用要求,梁、柱、板等构件便于定型化,能实现工业化施工,所以在多层及高层房屋中是应用较多的一种结构体系。框架结构的形式主要有梁板式和无梁式两大类。梁板式框架是由柱、主梁、连系梁及楼板组成。根据梁板布置方向不同,其承重方案有横向框架承重,纵向框架承重,纵横向框架承重,纵横向框架混合承重等三种。
框架按节点构造不同,又有铰接点和刚节点之分。若纵横与柱连接均为刚接,则称横刚纵刚方案;纵横梁与柱连接均为铰接称横铰纵铰方案;若横梁与柱刚接、纵梁与柱铰接,则称横刚纵铰方案。
装配式框架的全部构件均为预制,然后进行吊装。其优点是节约模板、缩短工期,但是连接节点的用钢量大、焊接工作量大,尤其当荷载大、振动大,需采用刚性连接时,节点的构造较难处理;且在焊接时,必须注意消除焊接变形和焊接应力。为了减少焊接工作量,亦可采用预制现浇接头的施工方案。
无梁式框架,无梁式框架由板和柱子组成,具有板底平整、室内净高有效利用等有点。无梁式结构类型较多,有现浇整体无梁楼盖、有装配式无梁结构、有采用升板法施工的升板结构、有装配整体式的板柱结构、还有整体预应力装配式的板柱结构。
整体预应力装配式板柱结构,这种结构的基本构件是板和柱,全部为非预应力的预制构件。柱无牛角。板为密肋板,板角留有直角缺口,和柱的两侧面有2厘米的空隙。施工时,先将柱立好后,即可将板吊至楼层标高位置,在四角暂时用临时支托支承在柱上,并在板和柱的空隙内以早强标号的水泥砂浆,然后对整个楼层纵横方向施加预应力。预应力筋通过板的纵横板缝和所有柱子的预留孔道,最后锚固在外柱的垫板上。这样,柱夹板、板夹柱、整个楼层全部板柱均被双向预应力筋连为一整体。楼层施加预应力后,即可拆除柱上的临时支托,板依靠摩阻力直接弹性固结在柱子上。这种板柱节点称为“摩擦节点”。最后在板缝内浇筑混凝土和在柱的预留孔洞内灌上浆,即形成整体预应力装配式的板柱结构。这种结构装配程度高,整体性好,抗震能力强,是一种与我国传统做法完全不同的新型结构体系。
二、框架剪力墙体系
当多层房屋向更高层的层数发展时,采用框架体系会产生不少矛盾。首先,从强度方面来看,由于层数和高度的增加,竖向荷载和水平荷载产生的内力都要相应加大,特别是水平荷载产生的内力增加的更快。其次,从刚度方面来看,随着房屋高度的增加,高宽比也逐渐增大,由于框架结构本身柔性较大,在水平荷载作用下,侧向变位也往往成为必须控制的因素。因此,当层数较高或地震烈度较大时,如要满足强度和刚度的要求,框架下面几层的梁柱面积尺寸就会增大到不经济甚至不合理的地步。为了解决这个矛盾,往往需要增设一些刚度较大的剪力墙来代替部分框架,使水平荷载的大部分由剪力墙来承担,用以提高结构抵抗水平位移的能力,而框架主要承受竖向荷载。这样就产生了框架剪力墙这种新的结构体系。此种体系的施工方案,剪力墙部分多用大模板现浇;框架部分施工则同框架体系。也可采用滑模或以升代滑的施工方案。
三、剪力墙体系
随着房屋层数和高度的进一步增加,需要设置较多数量的剪力墙来提高房屋的抗测力性能,这样就形成了剪力墙体系。剪力墙体系可采用滑模或大模板施工,亦可采用隧道模和提模、翻模等方法施工。当用滑模施工时,楼盖结构可用预制板,亦可用降模法现浇,还可用工具式模板使滑升墙体与浇筑楼面交替进行。装配式大板建筑,实质上亦为剪力墙体系,但由于连接节点的整体性、强度和延性较差,抗震性能较低,所以目前仅用于十二层以下的民用房屋中。
四、筒式体系
当房屋由高层向超高层发展时,其结构体系进而从平面结构向空间结构发展,形成了筒式体系。筒式体系就是在房屋中设置刚性筒体以抵抗水平力。它可利用房屋中的电梯井、楼梯间、管道井以及服务间等作为核心筒体,也可利用四周外墙作为外筒体。核心筒体和外筒体均属单筒体系。此外,还有由外筒和内筒组成双筒体系,也称筒中筒体系。筒体常与框架结合在一起,水平荷载由筒体承受,框架主要承受竖向荷载,它在建筑布置和使用方面都比较灵活,是超高层建筑结构的一种较好体系。此类结构施工方案,筒体部分可用大模板或滑升模板浇筑,框架部分亦可用滑模或工具式模板现浇;楼面结构则用台模、定型组合式模板或永久式模板浇筑。此外,还有用悬挂式结构体系的房屋建筑,它中间部分为一刚性很大的筒体,筒的顶部有悬臂,各层楼板结构即由钢缆悬挂在中央筒体上。这种结构,中央筒体的施工亦可用滑模方法等浇筑;楼板则与升板法相似,在地面迭浇预制,然后提升就位固定。筒体体系的建筑,按筒体的形式、布置和数目上的不同,通常分下面的幾种: 1) 如果利用空间受力体系的筒体结构来抵抗水平荷载,利用建筑平面上的电梯间、楼梯间或管道井等组成的核心筒来抵抗水平荷载,或利用建筑物四周的外墙来组成外筒以抵抗水平荷载的结构,均称为"单筒体结构"。2) 如果外筒体和内核心筒体同时存在并共同抵抗水平荷载的结构称为"筒中筒结构"(包括双筒体、三重筒体等)。3) 整个建筑物的外墙由刚度很大的窗裙深梁和间距很近的密排柱形成空间网络所组成的直立多孔筒体,称为"框筒结构"。在高层建筑平面尺寸过长,也需要设置变形缝。 综上所述,目前设计中究竟采用哪种结构体系,要经过方案比较确定,这主要要看拟建建筑物的高度、使用要求、施工条件和经济比较而定。 框架结构──如果拟建建筑物为宿舍,高度又比较高,就选择剪力墙结构,因为居住建筑要有足够的隔墙。 框-剪结构──当建筑物的底部需要设商店和大开间的门厅、餐厅时,则采用框支剪力墙结构;再如建建筑为高层办公楼或公寓,当高度不太高时,宜采用框-剪结构。 简体结构──当高度较高时,宜采用外框架、内核芯筒结构;再高时,则最好采用筒中筒结构,即采用外框架筒和内核芯筒结构。这类结构外框架筒可以开窗,以满足采光要求,在内筒中布置电梯井、管道竖并及生活间等。
就主体结构的施工而言,高层建筑与多层建筑的施工技术有相同之处,也有不同的一面。从逐层施工的方法来看,基本相同。但从整个建筑来看,并不相同。主要原因是由高度增高、体量增大,带来了施工的差异。
正是由于多层及高层建筑自身的特点,施工工艺技术要求高,其设计与一般建筑有很大的不同,对结构的安全度要求特别高。因此,在多层及高层建筑施工中应从各个方面严把施工质量关,同时灵活的将建筑与结构统一以确保整个多层及高层建筑工程的质量。