建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系的分析研究

王亦成 陳嬋

摘要：本文緊扣高層建筑結(jié)構(gòu)對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特性進(jìn)行了概括匯總，并給出了與各類體系相對應(yīng)的手段以及對高層建筑結(jié)構(gòu)分析的方式，以供實(shí)際施工中對高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析作借鑒。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)體系；高層建筑結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)分析

近些年以來，高層建筑的數(shù)量愈來愈多，在設(shè)計(jì)當(dāng)中碰見高層建筑的人的數(shù)量也與日俱增，這就要求所有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員均須牢固地掌握高層設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

筆者歷經(jīng)多年的設(shè)計(jì)實(shí)踐，覺察到當(dāng)前我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往會有一些不足存在。為防止在進(jìn)行鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能地減少錯(cuò)誤出現(xiàn)率，目前把此類出現(xiàn)率較高的問題匯總出來得出以下結(jié)論。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性

1.1 水平荷載起決定性影響

由于在豎構(gòu)件中樓面使用荷載與樓房自身重量引發(fā)的彎矩與軸力的數(shù)值和樓房高度的一次方只成正比例的關(guān)系，而因這個(gè)在豎構(gòu)件內(nèi)形成的軸力以及水平荷載杜宇結(jié)構(gòu)衍生出來的傾覆力矩同樓房高度的二次方是成正比例關(guān)系。因此，就某一定高度樓房而言，豎向荷載大致為定值，而其數(shù)值若當(dāng)成水平荷載的地震作用與風(fēng)荷載作用，其會伴著結(jié)構(gòu)動力特征的不一樣出現(xiàn)很大的變幅。

1.2軸向變形不容忽視

在高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大；還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對下料長度進(jìn)行調(diào)整。

1.3側(cè)移成為控制指標(biāo)

它與較低樓房不同的是，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

1.4結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

相對于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

2 根據(jù)不同類型高層建筑，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系

2.1結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題

新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動。

2.2結(jié)構(gòu)的超高問題

在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設(shè)定為A級高度的建筑外，增加了B級高度的建筑，因此，必須對結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為B級高度建筑甚或超過了B級高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問題，導(dǎo)致施工圖審查時(shí)未予通過，必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開專家會議進(jìn)行論證等工作的情況，對工程工期、造價(jià)等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。

2.3嵌固端的設(shè)置問題

由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，在這個(gè)問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面，若在施工中忽略了不該不略的方面將有可能導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)工作的大量修改或埋下安全隱患。

2.4短肢剪力墻的設(shè)置問題

在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為5 ～ 8的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制，因此，在高層建筑設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設(shè)計(jì)工作增加不必要的麻煩。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)分析

3.1高層建筑結(jié)構(gòu)分析的基本假定

高層建筑結(jié)構(gòu)是由豎向抗側(cè)力構(gòu)件（框架、剪力墻、筒體等）通過水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系。要完全精確地按照三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是十分困難的。各種實(shí)用的分析方法都需要對計(jì)算模型引入不同程度的簡化。下面是常見的一些基本假定。

3.11彈性假定

目前工程上實(shí)用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性的計(jì)算方法。在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。但是在遭受地震或強(qiáng)臺風(fēng)作用時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)往往會產(chǎn)生較大的位移，__出現(xiàn)裂縫，進(jìn)入到彈塑性工作階段。

3.12小變形假定

小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題（PΔ效應(yīng)）進(jìn)行了一些研究。一般認(rèn)為，當(dāng)頂點(diǎn)水平位移△與建筑物高度H的比值△/H>1/500時(shí)，PΔ效應(yīng)的影響就不能忽視了。

3.13剛性樓板假定

許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計(jì)。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)位移的自由度，簡化了計(jì)算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計(jì)算筒體結(jié)構(gòu)提供了條件。一般來說，對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是，對于豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)，樓板剛度較小，主要抗側(cè)力構(gòu)件間距過大或是層數(shù)較少等情況，樓板變形的影響較大。特別是對結(jié)構(gòu)底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯。可將這些樓層的剪力作適當(dāng)調(diào)整來考慮這種影響。

3.14計(jì)算圖形的假定

高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計(jì)算圖形主要是三維空間分析。三維空間分析的普通桿單元每一節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，按符拉素夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點(diǎn)還應(yīng)考慮截面翹曲，有7個(gè)自由度。

3.2高層建筑結(jié)構(gòu)靜力分析方法

3.21框架一剪力墻結(jié)構(gòu)

框架一剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算的方法很多，大都采用連梁連續(xù)化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉(zhuǎn)角相等的位移協(xié)調(diào)條件，可以建立位移與外荷載之間關(guān)系的微分方程來求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同。

3.22剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開洞情況。剪力墻結(jié)構(gòu)的機(jī)算方法是平面有限單元法。此法較為精確，而且對各類剪力墻都能適用。

3.23筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)的分析方法按照對計(jì)算模型處理手法的不同可分為三類：等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析。

這里主要討論三維空間分析。等效連續(xù)化方法是將結(jié)構(gòu)中的離散桿件作等效連續(xù)化處理。一種是只作幾何分布上的連續(xù)化，以便用連續(xù)函數(shù)描述其內(nèi)力；另一種是作幾何和物理上的連續(xù)處理，將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板，以便應(yīng)用分析彈性薄板的各種有效方法。類：等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析，這里主要討論三維空間分析。比等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計(jì)算模型是完全按三維空間結(jié)構(gòu)來分析簡體結(jié)構(gòu)體系，其中應(yīng)用最廣的是空間桿薄壁桿系矩陣位移法。這種方法將高層結(jié)構(gòu)體系視為由空間梁元、空間柱元和薄壁柱元組合而成的空間桿系結(jié)構(gòu)?？臻g梁柱每端節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。核心筒或剪力墻的墻肢采用符拉索__夫薄壁桿件理論分析，每端節(jié)點(diǎn)有7個(gè)自由度，比空間桿增加一個(gè)翹曲自由度，對應(yīng)的內(nèi)力是雙彎矩。三維空間分析精度較高，但它的未知量較多，計(jì)算量較大，在不引入其它假定時(shí)，每一樓層的總自由度數(shù)為6NC+7NW（NC、NW為柱及墻肢數(shù)目）。通常均引入剛性樓板假定，并假定同一樓面上各薄壁柱的翹曲角相等，這樣每一樓層總自由度數(shù)降為3（NC+NW）+4，目前這是工程上采用最多的計(jì)算模型。

4 結(jié)束語

總之，隨著高層建筑規(guī)模和型式的不斷發(fā)展，追求結(jié)構(gòu)形式新穎、受力合理的目標(biāo)將是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者的目標(biāo)和方向。對于結(jié)構(gòu)工程師而言，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格依照實(shí)情進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，加大力度搞方案對比工作并執(zhí)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在實(shí)施高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，既要確保結(jié)構(gòu)的合理性與經(jīng)濟(jì)性，又要確保高層建筑具備很高的安全性。