重慶大學土木工程專業認識實習 2

2022-08-18 07:03:03 字數 4277 閱讀 1241

(1)二綜

昨天我們參觀了多層建築建工館,單層建築結構工程中心,而今天我們就要集中學習高層建築第二綜合樓。

陳老師首先和我們一起複習了荷載的分類方法。按時間分類,荷載可分為永久荷載(恆載)、可變荷載(活荷載)與偶然荷載;按對結構產生的影響分類可分為動荷載與靜荷載;而按照作用方向可分為水平荷載與垂直荷載。

對於高層建築而言,其主要設計矛盾是水平荷載,而低層建築的主要設計矛盾則為豎向荷載。

究竟什麼才可以稱作高層建築呢?《高層建築混凝土結構技術規程》(簡稱《高規》)對「高層建築」做出了明確的界定,即「10層及10層以上或高度超過28m的鋼筋混凝土結構稱為高層建築結構。當建築高度超過100m時,稱為超高層建築。

」《高規》是一項技術標準,在對「高層建築」進行定義的同時也說明了《高規》的適用範圍。

如此說來,高層建築的歷史絕對算得上是悠久。很多古建築都超過了24m或28m,但在那些年代裡高層建築卻沒能夠繁華,歸根結底有兩點:

一是需求不大,古代中國幅員遼闊而人煙稀少,人口分散而不集中;

二是技術落後,不管是從建築材料的採集、生產技術還是工程建造技術來說都是遠遠不能滿足高層建築快速發展的要求的。

而如今,我國人口向城市大量聚集,城鎮化建設如火如荼,高層總數早已穩居世界第一位,高層建築的優勢越來越明顯:

一是可以大量節約土地;

二是方便管理。高層建築使人口集中起來,極大地方便了城市管理者對城市進行市政建設,如交通、管網的設計與布置等;

三是對業主而言,高層建築使建築空間被大大利用,使社群化成為可能。例如一棟高層樓房的下部分為工作區域而上部區域則為住宅區域。隨著技術的高速發展,在未來,一座超高層建築甚至可以完全具備一座城市的所有功能。

但在高層建築如雨後春筍般快速成長起來的同時,我們也會發現高層建築有著難以避免的劣勢。尤其是在911事件後,高層建築的安全性更是理所當然地被推到了風口浪尖的位置。在抵禦自然災害方面,高聳而厚重的高層建築反而更容易叢生危險,如在颱風、**中,大量人員往往不能夠及時疏散,從而導致人員的大量**、財物的巨大損失。

而在恐怖襲擊事件中,高層建築就更不具有優勢了。

緊接著,陳老師為我們簡要介紹了世界上具有里程碑意義的高層建築。如世界上第一棟高層建築,也即2023年在美國芝加哥修建起來的家庭保險大樓,為11層框架結構。它以抗拉較好的熟鐵為梁而以抗壓較好的鑄鐵為柱,可以說從根本上符合了八字方針的要求,做到了即安全又經濟,絕對算得上是出色地完成了工程任務。

經過幾十年歲月的洗禮,2023年,高層建築界又乙個里程碑式的建築誕生了,那就是紐約帝國大廈。在沒有計算機幫助的情況下,帝國大廈卻修建了102層,其高度競達到了空前的381公尺,可謂結構史上的奇蹟。

我國高層的繁榮時期出現在改革開放之後。在八十年代,高度超過100公尺的建築能夠躋身排行榜。上海,是高層蓬勃發展城市中的最典型,它持續不斷地重新整理著自己的最高記錄,如被網友戲稱為「開瓶器」的上海環球金融中心高度接近500公尺,而後來居上的上海中心也已問鼎600公尺。

可以說,高層建築是城市現代化的象徵。

眾所周知,坐落在阿聯酋的杜拜塔以828公尺的高度毫無懸念地摘得了世界第一的桂冠,而沙特某些國家甚至想建造高度超越1000公尺的超高層建築。可值得我們思考的是,建造如此高的建築真的有必要嗎?陳老師講解到:

隨著建築物高度的不斷增加,建築內部豎向的溫差也會越來越明顯,且整棟建築的搖晃幅度會隨之增加。然而,這些都不能算作是高層區別於多層的最大設計矛盾,在風荷載、**等作用下高層建築所產生的、顯著的、會極大影響人們居住舒適度的加速度才是最值得我們去思考和改善的。」聽後,同學們都若有所思地點點頭,感嘆自己在未來還有一段那麼遙遠的道路要親自探尋。

在詳實有趣的鋪墊之後,我們開始在陳老師的指導下討論今日實習的重點,那就是「為什麼水平荷載會成為高層建築的主要設計矛盾呢?」首先,我們複習了《材料力學》中最基礎的概念,也即梁、柱的準確定義。由支座支承,承受的外力以橫向力和剪力為主,以彎曲為主要變形的構件稱為梁,而柱是建築物中垂直的主結構件,負責承托在它上方物件的重量,主要受軸向力的作用。

受豎向方向軸壓的高層建築可簡單地抽象為一根懸臂柱,其軸力與高度成正比,彎矩與高度的二次方成正比,撓度與高度的四次方成正比。

可見,高層建築的變形巨大而難以控制,其安全性是結構工程師最難把握的。作為土木工程事業的新鮮血液,我們要勇於並善於結構創新,並培養自己運用新思路來控制高層建築變形的能力。

談到高層建築的結構,陳老師指出,傳統的框架結構剛度不大,屬柔性結構,只能建到十多層。而除框架結構外,常用的高層結構體系還有剪力牆結構、框剪結構、筒體結構等。其中,剪力牆又稱抗風牆或抗震牆、結構牆,是房屋或構築物中主要承受風荷載或**作用引起的水平荷載和豎向荷載(即重力)的牆體,防止結構剪下破壞。

且高層結構通常以其上部所採用的抗側移體系的名稱來命名。

工程建築的結構要素之一——牆,是用磚石等砌成承架房頂或隔開內外的建築物。是建築物豎直方向的主要構件,起分隔、圍護和承重等作用,兼具隔熱、保溫、隔聲等功能。牆的分類方式眾多,而按牆在建築物中的受力情況則可分為承重牆和非承重牆。

作為結構工程師,我們則須關心承擔結構功能的結構牆。「混凝土牆、砌體牆,它們都是牆,那二者有何區別呢?」陳老師問道。

「這兩種牆的材料有著本質的區別。混凝土牆並非素混凝土牆,它的內部埋留著鋼筋,在抵抗水平荷載引起的側向位移上具有很強的控制能力。混凝土剪力牆能夠承受很大的水平力,適用於高層建築的修建;框架結構雖不能修建很高的建築,但它的空間布置卻最為靈活,適用於商場等空間劃分變動性較大或對開間尺寸要求較大的公共建築選用。

而將框架結構和剪力牆結構相互調和,就形成了框剪結構,我們的二綜就是這樣一棟建築。」說罷,陳老師便帶著我們走進二綜,親自去尋找他向我們介紹的剪力牆等存在全球廣泛的結構構件。

在二綜的電梯口,陳老師指著牆說:「我們通常將剪力牆設定在電梯的位置,因為這裡本身就需要一堵牆,這是對剪力牆影響空間靈活性這一劣勢的很好的處理方式。」同時,陳老師指出,雖然又被稱為結構牆的剪力牆通常由混凝土建造,但用混凝土建造的牆卻並不一定都是結構牆,只有承擔了結構功能的牆才能稱為結構牆。

在相對於該堵結構牆的二綜的另一側,我們發現了另一堵結構牆。這堵牆佇立在中空的位置,它的前後兩側都是正常的空間。「大家看,這堵牆從維護、分隔等非結構功能上來看顯然是多餘的,反而還影響了空間的開闊性。

但是,這堵牆卻和那堵上面標識有「禁止吸菸」的短剪力牆共同與我們剛剛講解的那堵存在於電梯口處的結構牆相互對應、相互平衡,以使建築物在抵禦強大水平荷載的同時也不至於發生扭轉。」同學們一陣驚嘆,又在自己的實習日記中記下了意義深刻的一筆。

我們繼續前行,來到了二綜上下行樓梯所在的位置。陳老師簡要介紹了樓梯的結構要素。作為建築物中樓層間垂直交通用的構件,樓梯由連續梯級的梯段(又稱梯跑)、平台(休息平台)和圍護構件等組成。

按結構形式和受力特點樓梯形式可分為板式、梁式、懸挑(剪刀)式和螺旋式,前兩種屬於平面受力體系,後兩種則為空間受力體系。板式樓梯由梯段板、平台板和平台梁組成;梁式樓梯由梯段板、斜樑和平台板、平台梁組成。對比板式樓體與梁式樓梯的結構組成,可見梁式樓梯承載力相對較大,適宜做較大跨度與梯段高度的樓梯,多在公用建築中使用。

而二綜的樓梯為三段梯跑板式樓梯。

在二綜多層部分和高層部分的交界處可見一縫寬顯著的結構縫。結構縫按功能不同可分為(尺寸)伸縮縫、沉降縫與防震縫,而結構縫的縫寬最終受到防震縫的控制。「建築師是最不喜歡結構縫的,因為有縫就意味著防水控制的難度陡增。

然而結構師是喜歡縫的,簡單的縫構造卻大大加強了結構的安全性。」陳老師說到。我想,在以後的工作中,我們一定要學會和自己的同仁廣泛地溝通交流,這樣才能攜手共進,促進整個行業的快速、積極發展。

今天的最後一站,我們要去深入了解框架結構的典型——梁板結構。板分單向板與雙向板,單向板的長短跨之比大於3,在荷載作用下產生單向彎曲;而雙向板長短跨之比小於2,在荷載作用下產生雙向彎曲。雙向板進一步發展則產生了井字形結構,可以說,正方形是最為標準的雙向板。

在梁板結構中,板將荷載傳遞給梁,梁再將荷載傳遞給柱,而這也即是梁板結構的荷載傳遞路徑。在經過二綜318大教室時,陳老師介紹說,這件大教室就是實際運用預應力混凝土現澆單向板的典型。

緊接著,我們來到重慶大學b區學生第四食堂。同學們抬頭仰望,只見乙個乙個緊湊排列的「井」字高懸在頭頂。陳老師解釋到:

「這就是'井字型'樓蓋,它可以用於建造內部空闊的超大空間,尤其適用於方形的建築。」接著,陳老師在乙個飯桌上用手比劃出乙個矩形,「若我沿矩形短邊布置數根次梁,再在板上擱樓板,那麼這些被次梁劃分出來的小的長短邊之比大於3的矩形區域上所擱置的樓板根據其受力情況來命名,就應當是典型的單向板。」稍加觀察就可以發現,這裡的'井'沒有主梁與次梁之分,它們的高度相同,相互交叉,成乙個標準的正方形,再加之其現澆的建造方式,我們稱食堂所用樓蓋為預應力現澆混凝土井字形樓蓋。

最後,陳老師在簡要總結了今日的實習情況並詢問同學們是否有遺留問題後宣布本次認識實習結構板塊的工作正式結束,並囑咐同學們在明天就要開始的施工板塊實習中要認真自習並注意安全。全班同學們一聲應允,並約定次日七點三十分在b區十舍樓下集合,一起乘校車前往虎溪校區蘭園在建學生活動中心及理科樓開始實習活動。隨後,大家各自散去,今天的實踐學習就這樣順利而愉快地結束了。

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