淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾個(gè)值得重視的問題

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 　　　淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾個(gè)值得重視的問題

　　摘要：我國(guó)高層建筑大量涌現(xiàn)，由于高層建筑平面布置和立體面的復(fù)雜，給高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高層建筑設(shè)計(jì)中幾個(gè)值得重視的問題進(jìn)行了研究，以更好的指導(dǎo)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn) 剛度抗震 abstract: our high-rise building emerge in a large amount, due to the high building layout and the complex three-dimensional, give a high building structural design challenge. this paper, combined with the practice experience, in the design of a high-rise building several important issues, to better guide high-rise building design. keywords: designing high-rise seismic torsional rigidity   中圖分類號(hào)：tu318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)： 我國(guó)高層建筑大量涌現(xiàn)，由于高層建筑平面布置和立體面的復(fù)雜，給高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高層建筑設(shè)計(jì)中幾個(gè)值得重視的問題進(jìn)行了研究。 一、宏觀上控制結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和延性 結(jié)構(gòu)在受力進(jìn)塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，為避免倒塌，尤其是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，一方面要保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。另一方面，要保證結(jié)構(gòu)具有一定的延性，強(qiáng)度要從電算的位移剛度等進(jìn)行控制，而延性則主要從以下幾個(gè)方面控制，以防結(jié)構(gòu)的脆性破壞。 1. 1構(gòu)件截面抗震承載力調(diào)整 水平地震作用與重力荷載效應(yīng)組合對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面抗震承載力須根據(jù)受力狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整放大提高，以達(dá)到結(jié)構(gòu)的柔性破壞。 1. 2豎向構(gòu)件軸壓比控制 高層建筑豎向構(gòu)件在重力荷載、水平荷載共同作用下的軸壓比控制是保證高層建筑結(jié)構(gòu)延性和安全度的重要措施之一，其表達(dá)式如下： 軸壓比=總組合軸壓力設(shè)計(jì)值/(混凝土抗壓設(shè)計(jì)值x構(gòu)件截面積)。 軸壓比的高低直接體現(xiàn)構(gòu)件延性的優(yōu)劣，軸壓比較低的構(gòu)件延性較好，反之延性較差。因此。地震作用效應(yīng)組合下的豎向構(gòu)件軸壓比必須滿足規(guī)范限值。 1. 3結(jié)構(gòu)構(gòu)件剪壓比控制 其表達(dá)式為：板剪壓比=組合設(shè)計(jì)剪力/(混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度x構(gòu)件腹凈面積)。 高層建筑各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件在重力荷載、水平荷載共同作用下的剪壓比控制是保證高層建筑結(jié)構(gòu)延性、安全度的又一重要措施。 1. 4結(jié)構(gòu)構(gòu)件合適含鋼率選擇 高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸及其混凝土強(qiáng)度等級(jí)合適確定后，構(gòu)件配置的各種受力鋼筋和非受力構(gòu)造鋼筋具有合適的含鋼率，是控制高層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及裂縫，使之能正常工作的另一個(gè)極其重要的設(shè)計(jì)原則和手段，合適含鋼率的配置是現(xiàn)澆鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)本身應(yīng)有的特性的體現(xiàn)。 二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問題 建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求建筑三心盡可能匯于一點(diǎn)，即三心合一。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉(zhuǎn)破壞，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。 在某些情況下，由于城市規(guī)劃對(duì)街道景觀的要求以及建筑場(chǎng)地的限制，高層建筑不可能全部采用簡(jiǎn)單平面形式，當(dāng)需要采用不規(guī)則l形、t形、十字形等比較復(fù)雜的平面形式時(shí)，應(yīng)將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，同時(shí)，在結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)處于對(duì)稱狀態(tài)。 建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期問題包含兩方面：①合理控制結(jié)構(gòu)的自振周期;②控制結(jié)構(gòu)的自振周期使其盡可能錯(cuò)開場(chǎng)地的特征周期。 2.1結(jié)構(gòu)自振周期 高層建筑的自振周期(t1)宜在下列范圍內(nèi)： 框架結(jié)構(gòu)：t1=(0.1~0.15)n 框-剪、框筒結(jié)構(gòu)：t1=(0.08~0.12)n 剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)：t1=(0.04~0.10)n n為結(jié)構(gòu)層數(shù)。 結(jié)構(gòu)的第二周期和第三周期宜在下列范圍內(nèi)： 第二周期：t2=(1/3~1/5)t1;第三周期：t3=(1/5~1/7)t1。 如果周期偏離上述數(shù)值太遠(yuǎn)，應(yīng)當(dāng)考慮本工程剛度是否合適，必要時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)截面尺寸。如果結(jié)構(gòu)截面尺寸和布置正常，無(wú)特殊情況而計(jì)算周期相差太遠(yuǎn)，應(yīng)檢查輸入數(shù)據(jù)有無(wú)錯(cuò)誤。從實(shí)例的計(jì)算結(jié)果看，其自振周期計(jì)算值接近估算值的下限，可考慮調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)的自振周期。 2.2共振問題 當(dāng)建筑場(chǎng)地發(fā)生地震時(shí)，如果建筑物的自振周期和場(chǎng)地的特征周期接近，建筑物和場(chǎng)地就會(huì)發(fā)生共振。因此在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)針對(duì)預(yù)估的建筑場(chǎng)地特征周期，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的層數(shù)，選擇合適的結(jié)構(gòu)類別和結(jié)構(gòu)體系，擴(kuò)大建筑物的自振周期與建筑場(chǎng)地特征周期的差別，避免共振的發(fā)生。 2.3水平位移特征 水平位移滿足高層規(guī)程的要求，并不能說明該結(jié)構(gòu)是合理的設(shè)計(jì)。同時(shí)還需要考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，地震力的大小與結(jié)構(gòu)剛度直接相關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度小，結(jié)構(gòu)并不合理時(shí)，由于地震力小則結(jié)構(gòu)位移也小，位移在規(guī)范允許范圍內(nèi)，此時(shí)并不能認(rèn)為該結(jié)構(gòu)合理。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)周期長(zhǎng)、地震力小并不安全;其次，位移曲線應(yīng)連續(xù)變化，除沿豎向發(fā)生剛度突變外，不應(yīng)有明顯的拐點(diǎn)或折點(diǎn)。一般情況下剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎曲型;框架結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為剪切型;框-剪結(jié)構(gòu)和框-筒結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎剪型。 三、結(jié)構(gòu)剛度 高層建筑的抗側(cè)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有很大的影響，應(yīng)設(shè)計(jì)得剛些還是柔些，不同的設(shè)計(jì)人員有不同的看法，因此各結(jié)構(gòu)物的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相差較大。如深圳等沿海地區(qū)的高層建筑大多數(shù)都設(shè)計(jì)得比較剛，特別是高層住宅，主要表現(xiàn)在剪力墻較多，而且墻普遍較厚，有些建筑只有十幾層，墻厚達(dá)500-600mm左右，比較浪費(fèi)，計(jì)算的最大相對(duì)側(cè)移值只有1/3000-1/5000，甚至更小。在土質(zhì)較好，基巖埋深也普遍較淺的地區(qū)，高層建筑大多采用樁基，持力層多落在中、微風(fēng)化巖，地基的特征周期值較小，所以高層建筑的抗側(cè)剛度一般可以設(shè)計(jì)得柔些，以結(jié)構(gòu)的極限變形能力作為控制值。在滿足變形限值的前提下，結(jié)構(gòu)剛度盡可能設(shè)計(jì)得小些，這樣，既降低了地震作用，也使場(chǎng)地土與建筑物發(fā)生共振的可能性減小，而且又達(dá)到了經(jīng)濟(jì)目的。 四、高寬比限值 《高規(guī)》中對(duì)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(jiǎn)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，高寬比就可以越大一些;有樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)上抗傾覆能力比天然地基的抗傾覆能力好，所以高寬比也可以大些。其次，上部結(jié)構(gòu)的剛度分布不同，結(jié)構(gòu)的整體性也不同，若上部結(jié)構(gòu)通過合理的結(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)振下都不會(huì)有過大的動(dòng)力反應(yīng)，高寬比也可以大些。 五、關(guān)于抗震構(gòu)造措施 新的《高規(guī)》較“89規(guī)范”增加了有關(guān)短肢剪力墻的規(guī)定，但有些條文在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，尚不盡完善，且規(guī)程對(duì)短肢剪力墻的縱向鋼筋配筋率要求偏高。短肢剪力墻原來(lái)系用于高層點(diǎn)式筒體的結(jié)構(gòu)，近年來(lái)大量應(yīng)用于10~16層的小高層商住樓，對(duì)這種高度一般不超過50m的建筑，是否應(yīng)當(dāng)采取如此嚴(yán)格的構(gòu)造措施，是值得商榷的。 例如，《高規(guī)》第7.1.2條第2款規(guī)定“筒體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%”，相比于框剪結(jié)構(gòu)中的框架而言，短肢墻的抗側(cè)剛度要大的多，這樣勢(shì)必增加長(zhǎng)墻的數(shù)量，進(jìn)而增大地震作用。 關(guān)于短肢剪力墻抗震等級(jí)的規(guī)定不盡合理，《高規(guī)》第7.1.2條第3款規(guī)定“短肢剪力墻的抗震等級(jí)應(yīng)比本規(guī)程表4.8.2規(guī)定的抗震等級(jí)提高一級(jí)采用”，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，既然規(guī)定了一般墻或筒體承受的傾覆力矩大于50%，則筒體或一般墻為主要抗側(cè)力構(gòu)件，應(yīng)提高筒體或一般墻的抗震等級(jí)才合理，就如框-剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻抗震等級(jí)高于或等于框架抗震等級(jí)。 《高規(guī)》第7.1.8條規(guī)定，當(dāng)連梁跨高比不小于5時(shí)，宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。連梁主要承受水平荷載帶來(lái)的剪力和彎矩，容易出現(xiàn)剪切裂縫，其抗剪計(jì)算式與框架梁不一樣(見《高規(guī)》第7.2.24條)，箍筋間距要求要嚴(yán)。連梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)配筋率沒有特殊要求，其最小配筋率同非抗震設(shè)計(jì)，最大配筋率則通過截面條件來(lái)控制。而框架梁則要滿足截面條件及配筋等多項(xiàng)構(gòu)造要求。在設(shè)計(jì)此類連梁時(shí)應(yīng)注意，在計(jì)算時(shí)要設(shè)為非連梁，否則程序?qū)ζ鋭偠炔怀丝紤]樓板作用的增大系數(shù)，還要按連梁折減。對(duì)跨高比小于5，但對(duì)在較大集中荷載作用下(集中荷載對(duì)支座截面或節(jié)點(diǎn)邊緣所產(chǎn)生的剪力值占總剪力值的75%以上的情況)的連梁，也應(yīng)按框架梁進(jìn)行抗剪承載力計(jì)算。   參考文獻(xiàn)： [1] gb 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[s].北京:建筑工業(yè)出版社，2011 [2] 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施--結(jié)構(gòu)篇[s] [3]趙天賦.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[j].今日科苑，2009 (12) [4] 注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)用pdf形式查看。