高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些基本概念

【摘要】 本文以框架結(jié)構(gòu)為例，指出了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)基本概念。設(shè)計(jì)人員除了遵從相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范以外，還應(yīng)該從概念設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，將結(jié)構(gòu)概念與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，電算分析結(jié)果緊密結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

【關(guān)鍵詞】 高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；概念

【中圖號(hào)】 X799.1【文獻(xiàn)標(biāo)示碼】 A 【文章編號(hào)】 1005-1074(2008)12-0153-02

1 引言

近年來，高層建筑在我國又有了很大的發(fā)展，許多城市普遍興建了各種類型的高層建筑，包括住宅、旅館、辦公樓和多功能建筑等。這些建筑不僅數(shù)量大，施工速度塊，而且體型復(fù)雜，建筑結(jié)構(gòu)體系的類型也更加多樣化。另外，高層的鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國也興建了不少，我國自己的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工規(guī)程已經(jīng)出臺(tái)。與此相應(yīng)，圍繞高層建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究也取得了眾多成果。廣大工程技術(shù)人員、研究人員的創(chuàng)造和探索，都大大豐富了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要，主要還是因?yàn)楝F(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論仍存在許多缺陷或不可計(jì)算性，比如混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的內(nèi)力計(jì)算是基于彈性理論的計(jì)算方法，而截面設(shè)計(jì)卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，這一矛盾使計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)差之甚遠(yuǎn)。為了彌補(bǔ)這類計(jì)算理論的缺陷，或者實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際存在的大量無法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，都需要相應(yīng)的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。結(jié)構(gòu)工程師通過加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)概念的理解，能比較客觀、真實(shí)地掌握結(jié)構(gòu)的工作性能，綜合運(yùn)用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，選擇效果最好、造價(jià)最低的結(jié)構(gòu)方案。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念

本文以一高層框架結(jié)構(gòu)辦公樓為例，介紹高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些基本概念和應(yīng)該注意的問題。本框架結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)尺寸為7.8m×7.8m，平面尺寸為23.4m×46.8m，建筑高度為40m，共10層，每層高4m，設(shè)計(jì)使用年限為50年。本建筑的混凝土采用C35，框架梁、柱受力鋼筋采用熱軋鋼筋HRB400，其余采用熱軋鋼筋HRB235。基本風(fēng)壓w=0.4KN/m²，地面粗糙程度為B類；基本雪壓s=0.65KN/m²；抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，Ⅱ類場地土，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)選型（結(jié)構(gòu)體系的把握） 10層及10層以上或房屋高度大于28m的房屋建筑，稱為高層建筑。我們熟悉的高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系。本建筑層高為40m，從鋼筋混凝土房屋適用的最大高度及施工方面來考慮，建筑結(jié)構(gòu)形式主要從框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中選擇。從抗側(cè)剛度的角度考慮，框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度小，變形較大，在水平荷載作用下變形曲線為典型的剪切型曲線，自下而上層間位移逐漸減小，可能需要截面尺寸較大的梁柱才能滿足規(guī)范中規(guī)定的風(fēng)荷載或地震荷載作用下的側(cè)移要求，減少了有效使用空間，造成材料浪費(fèi)；剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好，承載力及抗側(cè)剛度很大，變形曲線為典型的彎曲型，自下而上層間位移逐漸增大，可以滿足風(fēng)荷載作用下的側(cè)移要求，但是隨著剛度的增大，所承受的地震反應(yīng)也隨之加大，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提出了更高的要求；且剪力墻不同于框架結(jié)構(gòu)中的輕質(zhì)填充墻，不利于今后的建筑改造工作。下面分別計(jì)算單跨框架結(jié)構(gòu)（柱跨度為7.8m，假設(shè)斷面為800mm×800mm，梁截面為600mm×300mm，樓層高度為4m）和單片剪力墻（跨度為7.8m，寬度為160mm，高度為40m）的抗側(cè)剛度。本建筑高度為40m，框架結(jié)構(gòu)在《高規(guī)》規(guī)定的范圍內(nèi)可以滿足建筑使用要求，與剪力墻結(jié)構(gòu)相比，框架結(jié)構(gòu)布置靈活，可形成較大的使用空間，自重輕，施工簡便且較為經(jīng)濟(jì)，適合在20層以下的高層建筑中采用；在地震作用下，框架結(jié)構(gòu)的延性比剪力墻結(jié)構(gòu)的延性要好，故優(yōu)先選擇使用框架結(jié)構(gòu)。

2.2 框架柱、框架梁截面尺寸確定（軸壓比，剪壓比） 首先根據(jù)框架結(jié)構(gòu)的層數(shù)，功能和所處的位置，確定抗震等級(jí)，從規(guī)范中查找軸壓比限值。然后根據(jù)結(jié)構(gòu)的層數(shù)和單根柱分擔(dān)的樓層平面面積，初步估算單根柱所承受的荷載，根據(jù)軸壓比和混凝土的強(qiáng)度等級(jí)來初步估算框架柱的截面尺寸，通過試算判斷初步估計(jì)的數(shù)值是否合理。國內(nèi)外的試驗(yàn)研究表明，受壓構(gòu)件的位移延性隨軸壓比的增加而減小。柱是框架結(jié)構(gòu)中的豎向構(gòu)件，地震時(shí)柱破壞和喪失承載力比梁破壞和喪失承載力更容易引起框架倒塌。在豎向荷載和往復(fù)水平荷載作用下鋼筋混凝土框架柱的大量試驗(yàn)研究表明，柱的破壞形態(tài)主要有彎曲破壞(大偏心破壞，小偏心破壞)，剪切受壓破壞，剪切受拉破壞，剪切斜拉破壞和粘結(jié)開裂破壞。后四種破壞形態(tài)的柱的延性小，耗能能力差，應(yīng)盡量避免；大偏壓柱的壓彎破壞延性較大，耗能能力強(qiáng)，柱的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)大偏壓破壞。規(guī)范對(duì)軸壓比按不同的抗震等級(jí)采取不同的限值，本例中軸壓比的數(shù)值為0.03～0.74，滿足規(guī)范中要求的框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)時(shí)0.8的限值要求。當(dāng)框架柱的軸壓比限值不滿足要求時(shí)，主要有增大柱截面尺寸和增大混凝土的強(qiáng)度等級(jí)二種解決方法。增大柱的截面尺寸是目前工程設(shè)計(jì)中普遍采用的方法，但這樣做除了加大建筑物自重，占用更多的建筑面積和空間等弊端外，還有可能會(huì)造成短柱，特別是在一些高層住宅樓層高較低的情況下，更容易出現(xiàn)短柱。采用增加混凝土強(qiáng)度等級(jí)的方法減小柱的軸壓比，在一定范圍內(nèi)是可行的。但當(dāng)混凝土強(qiáng)度取值過高時(shí)，其變形能力減小的問題尚待研究解決，因此，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，只能在一定范圍內(nèi)降低框架柱的軸壓比。如果適當(dāng)放寬規(guī)范規(guī)定的軸壓比限值，就可使上述問題得到一定程度的緩解，根據(jù)已有的鋼筋混凝土的理論研究可以知道，在均勻側(cè)向壓力的作用下，混凝土的延性及抗壓強(qiáng)度都有所提高。根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)合螺旋箍筋，可以達(dá)到施加側(cè)向壓力的作用，不但可以提高柱的抗震性能，提高軸壓比限值，減小截面尺寸，防止形成短柱，而且連續(xù)配箍不需要錨固彎鉤，節(jié)省了鋼材，并解決了普通綁扎箍筋在大變形時(shí)的失效問題，施工方便，特別是在梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)完全克服了普通箍筋施工的困難，并且機(jī)械化程度高，是地震區(qū)框架柱理想的配箍形式，值得在當(dāng)前工程中大力推廣。許多工程設(shè)計(jì)人員往往以軸壓比作為框架柱確定截面尺寸的唯一指標(biāo)，其實(shí)不然。軸壓比的限值是確定框架中柱截面尺寸的主要指標(biāo)，但下面幾點(diǎn)也要注意。①邊柱和角柱所承受的樓面平面面積雖然沒有框架中柱大，但是國內(nèi)外歷次大地震統(tǒng)計(jì)表明，邊柱，特別是角柱的破壞比框架中柱更嚴(yán)重，此時(shí)不能因?yàn)榻侵⑦呏惺艿臉敲婷娣e較小就減小其截面面積。規(guī)范規(guī)定一、二、三級(jí)抗震等級(jí)的框架角柱其彎矩、剪力設(shè)計(jì)值要乘以不小于1.1的增大系數(shù)。②從構(gòu)造要求方面考慮，框架柱的最小截面尺寸還宜符合下列要求：柱的截面寬度和高度均不宜小于300mm；圓柱的截面直徑不宜小于350mm；柱的剪跨比宜大于2；柱截面的高度與寬度的比值不宜大于3。③為了防止由于框架柱截面過小，配箍過多而產(chǎn)生斜壓破壞，柱截面的剪力設(shè)計(jì)值（乘以調(diào)整增大系數(shù)后）應(yīng)符合相關(guān)剪壓比的要求。框架梁的截面尺寸主要滿足三方面的要求：承載力要求、構(gòu)造要求和剪壓比要求。承載力要求主要通過承載力驗(yàn)算來實(shí)現(xiàn)，后兩者通過構(gòu)造措施來實(shí)現(xiàn)。剪壓比的限值主要是為了防止框架梁截面過小，箍筋過多造成斜壓破壞，與框架柱類似，框架梁截面剪力設(shè)計(jì)值與梁截面應(yīng)滿足相關(guān)剪壓比的要求，如不滿足，可以采取加大截面尺寸或提高混凝土強(qiáng)度的方法來實(shí)現(xiàn)。

2.3 框架結(jié)構(gòu)中的重要控制指標(biāo)

2.3.1 側(cè)移控制（層間位移及層間位移角） 在較低的樓房中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在較高的樓房中，盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要影響，但水平荷載卻起著決定性的作用。隨著樓房層數(shù)的增多，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大，因而水平荷載愈來愈成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制因素。結(jié)構(gòu)頂端側(cè)移⊿與建筑高度H的四次方成正比。本例中對(duì)于側(cè)移控制的分析主要采用側(cè)向剛度分析方法，也就是最簡單實(shí)用的D值法。對(duì)于一般高寬比比較小的框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)在水平荷載下的側(cè)移變形主要是由框架柱的層間剪力使框架梁柱產(chǎn)生局部彎曲變形的貢獻(xiàn)。框架柱的層間水平剪力和框架的層間側(cè)移一般均由上至下逐漸增大。框架結(jié)構(gòu)的總側(cè)移則由此框架層間側(cè)移變形由下至上累計(jì)而成，本例中的框架結(jié)構(gòu)就屬于這種情況。而對(duì)于高寬比比較大的框架結(jié)構(gòu)，框架柱在軸向力作用下產(chǎn)生的軸向變形對(duì)框架結(jié)構(gòu)總的側(cè)移變形貢獻(xiàn)很大，不容忽視。此時(shí)框架柱軸向變形使整個(gè)框架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)整體彎曲型變形。這時(shí)，整個(gè)框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的總側(cè)移變形，將由框架梁、柱彎曲變形產(chǎn)生的框架剪切型變形和框架柱軸向變形產(chǎn)生的框架彎曲型變形兩部分疊加而成，此時(shí)的框架結(jié)構(gòu)總側(cè)移變形形狀介于豎向懸臂剪切梁剪切型變形和豎向懸臂彎曲梁彎曲型變形之間。經(jīng)過大量工程的計(jì)算和工程實(shí)踐表明，小高層建筑軸向變形的影響很小，可以不予考慮；但是高層建筑由于豎向荷載很大，如果不考慮軸向變形，各構(gòu)件的內(nèi)力的平均誤差可達(dá)30%以上；尤其是結(jié)構(gòu)頂端位移減少一半以上，從結(jié)構(gòu)安全和結(jié)構(gòu)舒適度的角度考慮，必須考慮軸向變形。

2.3.2 地震反應(yīng)的控制（剪重比的要求） 剪重比也稱樓層最小地震剪力系數(shù)，樓層最小地震剪力系數(shù)是考慮到各樓層所必須承受的最小地震反應(yīng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的剪重比不滿足規(guī)范規(guī)定的最小剪重比的要求且相差不多時(shí)，可采取加大水平地震作用效應(yīng)的方法，以滿足規(guī)范的要求。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與工程經(jīng)驗(yàn)證明，處于中地震區(qū)的高層建筑地震作用為整個(gè)建筑物重量的2%～5%，而高地震區(qū)的低而剛度大的建筑可以達(dá)到10%～20%，可見矮胖型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般剪重比較大而體型纖細(xì)的長周期高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般剪重比較小，應(yīng)注意判斷。計(jì)算機(jī)計(jì)算的底部總剪力的合理范圍一般可參考下列數(shù)值。對(duì)第一周期小于3.5s的結(jié)構(gòu)，底部總剪力與總重量的比一般為:7度Ⅱ類土:Q/W=1.6%～2.8%；8度Ⅱ類土:Q/W=3.2%～5.0%。下表為本例中的X方向地震力和Y方向地震力作用下的剪重比數(shù)據(jù)，剪重比均滿足1.60%的要求，且框架底部剪重比介于上面的Q/W區(qū)間之間。從另外的方面考慮，剪重比過小，樓層地震力作用下地震反應(yīng)小，結(jié)構(gòu)剛度雖能滿足水平位移限值的要求，但不能滿足穩(wěn)定要求。

2.3.3 振型分析（周期比的要求，扭轉(zhuǎn)控制） 周期比是結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)為主的第一振型周期Tg與以平動(dòng)為主的第一振型 T_i之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9；B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85.因此，控制周期比主要是為了減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。有關(guān)試驗(yàn)及研究表明，當(dāng)建筑以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T_R與以平動(dòng)為主的第一自振周期T_i之比為不滿足規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度太弱，在地震作用下會(huì)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，這時(shí)就需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。由于該結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，框架柱為主要抗側(cè)力構(gòu)件。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，也就是加強(qiáng)框架柱的剛度，即增大柱的斷面。框架柱斷面增大后，結(jié)構(gòu)的周期有所降低，但以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T_R與以平動(dòng)為主的第一自振周期T_i的比值變化不大，仍然不滿足規(guī)范要求。如果把框架柱斷面再進(jìn)一步增加，結(jié)果還是沒有改變。可以看出，同時(shí)增加柱斷面的方法不能解決上述問題。如果把框架結(jié)構(gòu)考慮成一個(gè)由柱組成的筒體，把外部柱加強(qiáng)，而核心(內(nèi)部)柱只滿足承載力驗(yàn)算即可，這樣也可以加大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。將外圍框架柱的斷面增大，而中間框架柱截面不變，可以增大平動(dòng)周期，減小扭轉(zhuǎn)周期，使周期比滿足規(guī)范要求。下面僅列出本例中的前五階振型，其中以扭轉(zhuǎn)為主的第一振型周期為1.8781s，以平動(dòng)為主的第一振型為2.1338s，兩者之比滿足要求見表1。

3 結(jié)論

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很多基本概念，掌握和理解這些基本概念對(duì)于從事高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究的工程技術(shù)人員十分有益。本文結(jié)合高層建筑設(shè)計(jì)中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來闡述這些概念，深入理解這些概念有助于設(shè)計(jì)出既能保證質(zhì)量又經(jīng)濟(jì)合理的建筑。

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