高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)體系的確定

黃　民

摘 要:高層結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)程序正進(jìn)入商品化階段,每個程序都有一些限制條件和假定,在使用程序時有些應(yīng)注意的問題往往被忽視,而有關(guān)規(guī)范和規(guī)程的規(guī)定也不盡完善。相對于多層建筑,高層建筑的受力特點(diǎn):一是柱子、墻體的軸向變形及截面剪切變形對結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形的影響; 二是因風(fēng)力或地震的水平荷載作用所產(chǎn)生的內(nèi)力和位移變形常為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素,抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵。本文針對高層結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),提出在設(shè)計(jì)中確定結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該注意的幾點(diǎn)問題。

關(guān)鍵詞:高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)體系

隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,城市化進(jìn)程的加快,城市中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高層建筑愈來愈多,由于建筑形式的多樣化, 建筑設(shè)計(jì)理念的不斷創(chuàng)新,各種不同使用功能的多元化等諸多因素, 使得高層建筑形體日趨復(fù)雜,形態(tài)各異,給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了一定的難度,往往會遇到一些規(guī)范或規(guī)程未論及的問題,這時概念設(shè)計(jì)就顯得尤其重要。

1 結(jié)構(gòu)的平面形狀及立面型式

高層建筑結(jié)構(gòu)要抵抗豎向和水平荷載作用,高層建筑結(jié)構(gòu)中的抗側(cè)力成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題,因此,平面形狀宜簡單、規(guī)則、對稱,避免過多的外凸、內(nèi)凹。在抗震結(jié)構(gòu)中,結(jié)構(gòu)體型、布置、構(gòu)造措施的好壞比計(jì)算是否精確更直接影響結(jié)構(gòu)的安全。平面和體型的選擇必須在綜合考慮使用要求、建筑美觀、結(jié)構(gòu)合理及便于施工等各種因素后確定。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,保證結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)合理等要求比一般多層結(jié)構(gòu)整體性也不同,若上部結(jié)構(gòu)通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度,以使結(jié)構(gòu)在地震作用下和風(fēng)振作用下都不會有過大的動力反應(yīng),高寬比控制也可以大些。比高層建筑更細(xì)柔的高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時并不采用H/B來控制,而是通過計(jì)算確定附加彎矩等不利因素從而采用相應(yīng)的措施,安全性同樣能得到保證。因此,可以通過合理的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來考慮結(jié)構(gòu)整體性和抗傾覆性的要求,適當(dāng)突破高寬比的限值。

2 側(cè)向位移的限值

高層建筑結(jié)構(gòu)的水平位移隨著高度的增長而迅速變大,為防止位移過大,規(guī)范對頂點(diǎn)位移和層間位移都作了一定的限制?？刂祈旤c(diǎn)位移u/H 的主要目的是保證居住、工作的人有舒適感和防止房屋在罕遇地震時倒塌,但人的舒適感主要與結(jié)構(gòu)的自振周期和頂點(diǎn)的加速度有關(guān),而與頂點(diǎn)位移并沒有十分直接的關(guān)系,所以用控制u/H來保證人的舒適度根據(jù)并不充分。另外u/H較大的結(jié)構(gòu)只是可能會倒塌,而結(jié)構(gòu)遭遇到強(qiáng)烈地震時能保證不倒塌的關(guān)鍵,是結(jié)構(gòu)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有足夠的變形能力和耗能能力,如采用一些減振、隔振裝置,關(guān)鍵部位用鋼骨混凝土等。使結(jié)構(gòu)具有足夠的延性是抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,控制房屋在罕遇地震時倒塌與否的條件是結(jié)構(gòu)極限變形能力而不是u/H限值。另外,為使結(jié)構(gòu)具有較好的防倒塌能力,應(yīng)在結(jié)構(gòu)計(jì)算中考慮P一△效應(yīng),對于今天計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的情況,這已不是一件難事?？刂茖娱g位移△u/h的主要目的是防止填充墻、裝飾物等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開裂和損壞,但目前的限值中沒有明確△u的定義,上下兩層的水平位移差與層轉(zhuǎn)角的含義又不同,下層轉(zhuǎn)動引起的上層剛性位移對構(gòu)件內(nèi)力并不產(chǎn)生影響,彎曲產(chǎn)生的變形和剪切建筑更為突出,因此宜盡量采用簡單規(guī)則的平面,立面型式也應(yīng)避免過多外挑內(nèi)收。目前有一些高層建筑的平面形狀過于復(fù)雜,凹角很多,對抗震是不利的,特別是一些工程采用了收腰的平面,在平面的狹窄部位,地震時容易破壞,所以在方案選擇階段宜盡量調(diào)整,加大寬度、加厚樓板。再如近年建成的同濟(jì)大學(xué)圖書館等,這類懸掛結(jié)構(gòu)只有中央電梯井落地,樓面全部懸挑,從整體上來看是豎向懸臂結(jié)構(gòu),缺少第二道防線,所以在抗震設(shè)計(jì)時宜慎重采用。為了建筑外形的標(biāo)新立異而以結(jié)構(gòu)抗震和安全隱患為代價(jià)是得不償失的。大量震害的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明,建筑物平面布置不對稱、剛度不均勻、高低錯層連接、屋頂局部凸出或沿高度方向剛度突變等都容易造成震害。要使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心盡量重合,以減小扭轉(zhuǎn)。建筑平面愈復(fù)雜,在凹凸拐角等處愈易造成應(yīng)力集中而遭到破壞。在完全對稱的平面中,也應(yīng)注意凸出部分的尺寸比例。如果凸出部分較長,要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的措施。結(jié)構(gòu)的豎向布置要做到剛度均勻而連續(xù),避免剛度突變,避免軟弱層。剛度突變及軟弱層常常是由于切斷剪力墻所致。如果有少數(shù)剪力墻切斷,則其他剪力墻在該切斷層應(yīng)予以加強(qiáng)。

3 結(jié)構(gòu)剛度

高層建筑的抗側(cè)剛度對結(jié)構(gòu)的抗震性能有很大影響,應(yīng)設(shè)計(jì)得剛些還是柔些, 不同的設(shè)計(jì)有不同的做法,因此各結(jié)構(gòu)物的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相差較大。產(chǎn)生的變形對構(gòu)件內(nèi)力的影響也是不一樣的。因此,雖然△u/h有限值要求,但不同的算法所得的數(shù)值有時會相差幾倍,所以△u/h實(shí)際上失去了指導(dǎo)意義。另外,衡量填充墻、裝飾物等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開裂的損壞與否,用△u/h來控制也不是最妥當(dāng),如非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)之間是剛性連接,則應(yīng)主要看其主拉應(yīng)力是否超出材料的開裂強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度;若非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)是柔性連接且連接材料具有較好的變形能力,則△u/h超出限值也并不會破壞。

4 高寬比限值

《鋼筋混凝土高層建筑設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(JGJ3- 91)中對高層建筑的結(jié)構(gòu)高寬比H/B進(jìn)行限值的目的是為了保證結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性和不傾覆。一般而言,隨著建筑物高度的增加,傾覆力矩也將迅速增大,高寬比大的結(jié)構(gòu)其安全性和經(jīng)濟(jì)性較差,所以高寬比限值原則上是需要的。但目前高寬比限值中考慮的因素過于簡單。首先,結(jié)構(gòu)的抗傾覆性與基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)寬度及基礎(chǔ)形式等有很大的關(guān)系?；A(chǔ)埋得越深、基礎(chǔ)寬度越大,結(jié)構(gòu)抗傾覆能力就越好,高寬比控制就可以稍大一些;有樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu),其抗傾覆能力比天然地基的抗傾覆能力好,所以高寬比控制也可以大些。其次,上部結(jié)構(gòu)的剛度分布不同,且所有鋼筋在同一截面截?cái)噱^固也有違規(guī)范要求。如果鋼筋不斷,則混凝土伸縮時會引起鋼筋產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,如此力與正常受力方向一致,則降低了承載力。因此,不能一概用后澆帶代替結(jié)構(gòu)縫,應(yīng)對后繞帶的作用客觀分析,對其帶來的不利因素應(yīng)充分考慮,必要時應(yīng)采取其它措施加以

彌補(bǔ)。

5 水平加強(qiáng)層

在框架一簡體結(jié)構(gòu)中利用水平加強(qiáng)層可以有效地減小結(jié)構(gòu)側(cè)移,增強(qiáng)側(cè)向剛度,這已被廣大設(shè)計(jì)人員所了解。以往加強(qiáng)層多為鋼桁架,其本身剛度有限,所能增加的側(cè)向剛度也有限,一般作為結(jié)構(gòu)安全儲備而設(shè)。加強(qiáng)層由于利用水平構(gòu)件達(dá)到增強(qiáng)側(cè)向剛度的目的,比較經(jīng)濟(jì)。加強(qiáng)層構(gòu)件如果設(shè)計(jì)得較柔(如采用鋼構(gòu)件),由于其剛度比內(nèi)筒(一般為鋼筋混凝土)的剛度小許多,往往起不到很大作用。如果加強(qiáng)層剛度較大,對減小側(cè)移是有較大的效果, 但同時也會使內(nèi)力有較大突變,特別是外柱的剪力增加較大,抗震不利,在設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重處理。按抗震概念設(shè)計(jì)要求,剛度有較大突變的結(jié)構(gòu)部位會引起較大的應(yīng)力集中,設(shè)計(jì)不周會產(chǎn)生薄弱樓層的先行破壞,所以應(yīng)特別注意,不應(yīng)主要靠加強(qiáng)層來達(dá)到限制側(cè)移的目的,且應(yīng)同時增強(qiáng)豎向構(gòu)件的剛度,使加強(qiáng)層上下若干層的剛度和緩變化,避免剛度突變。另外,剛性層本身的剛度選擇也非常重要,應(yīng)在發(fā)揮剛性層作用的前提下盡量減小剛性層的剛度,如在剛性梁中開些大孔洞(應(yīng)同時注意構(gòu)造處理),使外柱剪力增加保持在可接受的范圍內(nèi)。

《鋼筋混凝土高層建筑設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(JGJ33-91)中有許多方面都涉及到概念設(shè)計(jì)的問題,如結(jié)構(gòu)布置、選型及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等,這些應(yīng)在設(shè)計(jì)中給予高度重視。

參考文獻(xiàn)

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[3]《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》.中國規(guī)劃出版社.