高層結構設計中結構體系的確定

黃　民

摘 要:高層結構計算機程序正進入商品化階段,每個程序都有一些限制條件和假定,在使用程序時有些應注意的問題往往被忽視,而有關規范和規程的規定也不盡完善。相對于多層建筑,高層建筑的受力特點:一是柱子、墻體的軸向變形及截面剪切變形對結構內力變形的影響; 二是因風力或地震的水平荷載作用所產生的內力和位移變形常為結構設計的控制因素,抗側力結構的設計成為關鍵。本文針對高層結構的受力特點,提出在設計中確定結構體系應該注意的幾點問題。

關鍵詞:高層建筑;結構設計;結構體系

隨著我國經濟不斷發展,城市化進程的加快,城市中鋼筋混凝土結構的高層建筑愈來愈多,由于建筑形式的多樣化, 建筑設計理念的不斷創新,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雜,形態各異,給結構設計增加了一定的難度,往往會遇到一些規范或規程未論及的問題,這時概念設計就顯得尤其重要。

1 結構的平面形狀及立面型式

高層建筑結構要抵抗豎向和水平荷載作用,高層建筑結構中的抗側力成為結構設計的主要問題,因此,平面形狀宜簡單、規則、對稱,避免過多的外凸、內凹。在抗震結構中,結構體型、布置、構造措施的好壞比計算是否精確更直接影響結構的安全。平面和體型的選擇必須在綜合考慮使用要求、建筑美觀、結構合理及便于施工等各種因素后確定。在高層建筑結構設計中,保證結構安全和經濟合理等要求比一般多層結構整體性也不同,若上部結構通過合理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作用下都不會有過大的動力反應,高寬比控制也可以大些。比高層建筑更細柔的高聳結構設計時并不采用H/B來控制,而是通過計算確定附加彎矩等不利因素從而采用相應的措施,安全性同樣能得到保證。因此,可以通過合理的基礎和上部結構設計來考慮結構整體性和抗傾覆性的要求,適當突破高寬比的限值。

2 側向位移的限值

高層建筑結構的水平位移隨著高度的增長而迅速變大,為防止位移過大,規范對頂點位移和層間位移都作了一定的限制。控制頂點位移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構的自振周期和頂點的加速度有關,而與頂點位移并沒有十分直接的關系,所以用控制u/H來保證人的舒適度根據并不充分。另外u/H較大的結構只是可能會倒塌,而結構遭遇到強烈地震時能保證不倒塌的關鍵,是結構構件、結構體系應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,關鍵部位用鋼骨混凝土等。使結構具有足夠的延性是抗震設計的關鍵,控制房屋在罕遇地震時倒塌與否的條件是結構極限變形能力而不是u/H限值。另外,為使結構具有較好的防倒塌能力,應在結構計算中考慮P一△效應,對于今天計算機技術迅速發展的情況,這已不是一件難事。控制層間位移△u/h的主要目的是防止填充墻、裝飾物等非結構構件的開裂和損壞,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角的含義又不同,下層轉動引起的上層剛性位移對構件內力并不產生影響,彎曲產生的變形和剪切建筑更為突出,因此宜盡量采用簡單規則的平面,立面型式也應避免過多外挑內收。目前有一些高層建筑的平面形狀過于復雜,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整,加大寬度、加厚樓板。再如近年建成的同濟大學圖書館等,這類懸掛結構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構,缺少第二道防線,所以在抗震設計時宜慎重采用。為了建筑外形的標新立異而以結構抗震和安全隱患為代價是得不償失的。大量震害的經驗教訓表明,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。要使結構的剛度中心和質量中心盡量重合,以減小扭轉。建筑平面愈復雜,在凹凸拐角等處愈易造成應力集中而遭到破壞。在完全對稱的平面中,也應注意凸出部分的尺寸比例。如果凸出部分較長,要在結構設計中采取相應的措施。結構的豎向布置要做到剛度均勻而連續,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。如果有少數剪力墻切斷,則其他剪力墻在該切斷層應予以加強。

3 結構剛度

高層建筑的抗側剛度對結構的抗震性能有很大影響,應設計得剛些還是柔些, 不同的設計有不同的做法,因此各結構物的經濟指標相差較大。產生的變形對構件內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值有時會相差幾倍,所以△u/h實際上失去了指導意義。另外,衡量填充墻、裝飾物等非結構構件的開裂的損壞與否,用△u/h來控制也不是最妥當,如非結構構件與主體結構之間是剛性連接,則應主要看其主拉應力是否超出材料的開裂強度和破壞強度;若非結構構件與主體結構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計與施工規程》(JGJ3- 91)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。基礎埋得越深、基礎寬度越大,結構抗傾覆能力就越好,高寬比控制就可以稍大一些;有樁基礎的結構,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,上部結構的剛度分布不同,且所有鋼筋在同一截面截斷錨固也有違規范要求。如果鋼筋不斷,則混凝土伸縮時會引起鋼筋產生預應力,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構縫,應對后繞帶的作用客觀分析,對其帶來的不利因素應充分考慮,必要時應采取其它措施加以

彌補。

5 水平加強層

在框架一簡體結構中利用水平加強層可以有效地減小結構側移,增強側向剛度,這已被廣大設計人員所了解。以往加強層多為鋼桁架,其本身剛度有限,所能增加的側向剛度也有限,一般作為結構安全儲備而設。加強層由于利用水平構件達到增強側向剛度的目的,比較經濟。加強層構件如果設計得較柔(如采用鋼構件),由于其剛度比內筒(一般為鋼筋混凝土)的剛度小許多,往往起不到很大作用。如果加強層剛度較大,對減小側移是有較大的效果, 但同時也會使內力有較大突變,特別是外柱的剪力增加較大,抗震不利,在設計中應慎重處理。按抗震概念設計要求,剛度有較大突變的結構部位會引起較大的應力集中,設計不周會產生薄弱樓層的先行破壞,所以應特別注意,不應主要靠加強層來達到限制側移的目的,且應同時增強豎向構件的剛度,使加強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,應在發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(應同時注意構造處理),使外柱剪力增加保持在可接受的范圍內。

《鋼筋混凝土高層建筑設計與施工規程》(JGJ33-91)中有許多方面都涉及到概念設計的問題,如結構布置、選型及節點構造等,這些應在設計中給予高度重視。

參考文獻

[1]《混凝土結構設計規范》(GB50010-2002)中國建筑工業出版社.

[2]《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)中國建筑工業出版社.

[3]《全國民用建筑工程設計技術措施》.中國規劃出版社.