淺談高層建筑結構設計中幾個值得重視的問題

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 　　　淺談高層建筑結構設計中幾個值得重視的問題

　　摘要：我國高層建筑大量涌現，由于高層建筑平面布置和立體面的復雜，給高層建筑結構設計帶來了挑戰(zhàn)。本文結合實踐經驗，對高層建筑設計中幾個值得重視的問題進行了研究，以更好的指導高層建筑結構設計。 關鍵詞：高層建筑結構設計扭轉 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：tu318 文獻標識碼：a文章編號： 我國高層建筑大量涌現，由于高層建筑平面布置和立體面的復雜，給高層建筑結構設計帶來了挑戰(zhàn)。本文結合實踐經驗，對高層建筑設計中幾個值得重視的問題進行了研究。 一、宏觀上控制結構的強度和延性 結構在受力進塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，為避免倒塌，尤其是結構抗震設計中，一方面要保證結構具有足夠的強度。另一方面，要保證結構具有一定的延性，強度要從電算的位移剛度等進行控制，而延性則主要從以下幾個方面控制，以防結構的脆性破壞。 1. 1構件截面抗震承載力調整 水平地震作用與重力荷載效應組合對應的結構構件截面抗震承載力須根據受力狀態(tài)進行調整放大提高，以達到結構的柔性破壞。 1. 2豎向構件軸壓比控制 高層建筑豎向構件在重力荷載、水平荷載共同作用下的軸壓比控制是保證高層建筑結構延性和安全度的重要措施之一，其表達式如下： 軸壓比=總組合軸壓力設計值/(混凝土抗壓設計值x構件截面積)。 軸壓比的高低直接體現構件延性的優(yōu)劣，軸壓比較低的構件延性較好，反之延性較差。因此。地震作用效應組合下的豎向構件軸壓比必須滿足規(guī)范限值。 1. 3結構構件剪壓比控制 其表達式為：板剪壓比=組合設計剪力/(混凝土抗壓設計強度x構件腹凈面積)。 高層建筑各類結構構件在重力荷載、水平荷載共同作用下的剪壓比控制是保證高層建筑結構延性、安全度的又一重要措施。 1. 4結構構件合適含鋼率選擇 高層建筑結構構件截面尺寸及其混凝土強度等級合適確定后，構件配置的各種受力鋼筋和非受力構造鋼筋具有合適的含鋼率，是控制高層建筑結構強度、剛度及裂縫，使之能正常工作的另一個極其重要的設計原則和手段，合適含鋼率的配置是現澆鋼筋混凝土高層建筑結構本身應有的特性的體現。 二、高層建筑結構設計中的扭轉問題 建筑結構的幾何形心、剛度中心、結構重心即為建筑三心，在結構設計時要求建筑三心盡可能匯于一點，即三心合一。結構的扭轉問題就是指在結構設計過程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結構發(fā)生扭轉振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉破壞，應在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局，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)劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制，高層建筑不可能全部采用簡單平面形式，當需要采用不規(guī)則l形、t形、十字形等比較復雜的平面形式時，應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，同時，在結構平面布置時，應盡可能使結構處于對稱狀態(tài)。 建筑結構的振動周期問題包含兩方面：①合理控制結構的自振周期;②控制結構的自振周期使其盡可能錯開場地的特征周期。 2.1結構自振周期 高層建筑的自振周期(t1)宜在下列范圍內： 框架結構：t1=(0.1~0.15)n 框-剪、框筒結構：t1=(0.08~0.12)n 剪力墻、筒中筒結構：t1=(0.04~0.10)n n為結構層數。 結構的第二周期和第三周期宜在下列范圍內： 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值太遠，應當考慮本工程剛度是否合適，必要時調整結構截面尺寸。如果結構截面尺寸和布置正常，無特殊情況而計算周期相差太遠，應檢查輸入數據有無錯誤。從實例的計算結果看，其自振周期計算值接近估算值的下限，可考慮調整結構剛度，適當增大結構的自振周期。 2.2共振問題 當建筑場地發(fā)生地震時，如果建筑物的自振周期和場地的特征周期接近，建筑物和場地就會發(fā)生共振。因此在建筑方案設計時就應針對預估的建筑場地特征周期，通過調整結構的層數，選擇合適的結構類別和結構體系，擴大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別，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，并不能說明該結構是合理的設計。同時還需要考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因為結構抗震設計時，地震力的大小與結構剛度直接相關，當結構剛度小，結構并不合理時，由于地震力小則結構位移也小，位移在規(guī)范允許范圍內，此時并不能認為該結構合理。因為結構周期長、地震力小并不安全;其次，位移曲線應連續(xù)變化，除沿豎向發(fā)生剛度突變外，不應有明顯的拐點或折點。一般情況下剪力墻結構的位移曲線應為彎曲型;框架結構的位移曲線應為剪切型;框-剪結構和框-筒結構的位移曲線應為彎剪型。 三、結構剛度 高層建筑的抗側剛度對結構的抗震性能有很大的影響，應設計得剛些還是柔些，不同的設計人員有不同的看法，因此各結構物的經濟指標相差較大。如深圳等沿海地區(qū)的高層建筑大多數都設計得比較剛，特別是高層住宅，主要表現在剪力墻較多，而且墻普遍較厚，有些建筑只有十幾層，墻厚達500-600mm左右，比較浪費，計算的最大相對側移值只有1/3000-1/5000，甚至更小。在土質較好，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、微風化巖，地基的特征周期值較小，所以高層建筑的抗側剛度一般可以設計得柔些，以結構的極限變形能力作為控制值。在滿足變形限值的前提下，結構剛度盡可能設計得小些，這樣，既降低了地震作用，也使場地土與建筑物發(fā)生共振的可能性減小，而且又達到了經濟目的。 四、高寬比限值 《高規(guī)》中對高層建筑的結構高寬比h/b進行限值的目的是為了保證結構整體的穩(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，高寬比大的結構其安全性和經濟性較差，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，結構的抗傾覆性與基礎埋深、基礎寬度及基礎形式等有很大的關系?；A埋得越深、基礎寬度越大、結構抗傾覆能力就越好，高寬比就可以越大一些;有樁基礎的結構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，上部結構的剛度分布不同，結構的整體性也不同，若上部結構通過合理的結構設計能保證結構具有足夠的剛度，以使結構在地震作用下和風振下都不會有過大的動力反應，高寬比也可以大些。 五、關于抗震構造措施 新的《高規(guī)》較“89規(guī)范”增加了有關短肢剪力墻的規(guī)定，但有些條文在設計應用時，尚不盡完善，且規(guī)程對短肢剪力墻的縱向鋼筋配筋率要求偏高。短肢剪力墻原來系用于高層點式筒體的結構，近年來大量應用于10~16層的小高層商住樓，對這種高度一般不超過50m的建筑，是否應當采取如此嚴格的構造措施，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構總底部地震傾覆力矩的50%”，相比于框剪結構中的框架而言，短肢墻的抗側剛度要大的多，這樣勢必增加長墻的數量，進而增大地震作用。 關于短肢剪力墻抗震等級的規(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應比本規(guī)程表4.8.2規(guī)定的抗震等級提高一級采用”，在短肢剪力墻結構中，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力構件，應提高筒體或一般墻的抗震等級才合理，就如框-剪結構中的剪力墻抗震等級高于或等于框架抗震等級。 《高規(guī)》第7.1.8條規(guī)定，當連梁跨高比不小于5時，宜按框架梁進行設計。連梁主要承受水平荷載帶來的剪力和彎矩，容易出現剪切裂縫，其抗剪計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。連梁抗震設計時，對配筋率沒有特殊要求，其最小配筋率同非抗震設計，最大配筋率則通過截面條件來控制。而框架梁則要滿足截面條件及配筋等多項構造要求。在設計此類連梁時應注意，在計算時要設為非連梁，否則程序對其剛度不乘考慮樓板作用的增大系數，還要按連梁折減。對跨高比小于5，但對在較大集中荷載作用下(集中荷載對支座截面或節(jié)點邊緣所產生的剪力值占總剪力值的75%以上的情況)的連梁，也應按框架梁進行抗剪承載力計算。   參考文獻： [1] gb 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[s].北京:建筑工業(yè)出版社，2011 [2] 全國民用建筑工程設計技術措施--結構篇[s] [3]趙天賦.高層建筑結構設計研究[j].今日科苑，2009 (12) [4] 注：文章內所有公式及圖表請用pdf形式查看。