高层建筑结构设计中的几个问题分析

库尔班江·图尔迪

摘要:高层建筑越来越多,类型和功能也越来越复杂,使得高层建筑的结构设计也越来越复杂,本文就结构设计的一些要注意的问题进行分析,供大家参考。

关键词:高层建筑结构 刚度 剪重比

0 引言

随着我国国民经济不断发展和人民生活的迅速提高。业主及建筑师的创新艺术使得钢筋混凝土高层建筑发展被广泛应用。高层建筑结构设计给工程设计人员提出了更高的要求,下面就结构设计中的问题进行一些探讨。

1 高层建筑结构受力性能

对于一个建筑物的最初的方案设计,建筑师考虑更多的是它的空问组成特点,而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的,由于建筑物是由一些大而重的构件所组成,因此结构必须能将它本身的重量传至地面,结构的荷载总是向下作用于地面的,而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系,所以,在建筑设计的方案阶段,就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布作出总体设想。

对于低层、多层和高层建筑,竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的,但是,随着高度的不断增加,竖向结构体系成为设计的控制因素,其原因有两个:其一,较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒;其二,侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。与竖向荷载相比,侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的,而随建筑高度的增高迅速增大。例如,在所有条件相同时,在风荷载作用下,建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比,而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比,地震的作用效应更加明显。在高层建筑中,问题不仅仅是抗剪,而更重要的是整体抗弯和抵抗变形,可见,高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异。

2 建筑结构的三心合一和扭转

建筑结构的几何形心,刚度中心、结构重心即为我们常说的建筑三心。在结构设计时要求建筑三心尽可能地汇合于一点,即所谓三心合一。建筑结构的扭转问题就是指在设计中一栋建筑物没有做到三心合,在水平力作用下结构发生扭转振动效应。由于水平力作用在高层建筑中起着控制作用,常有建筑物因扭转振动而发生严重破坏。为避免建筑物因水平力作用而扭转破坏,要求我们在设计时进行合理的结构选型和精心的平面布置,尽可能地使建筑物三心合一。

在水平荷载作用下,高层建筑扭转作用的大小取决干质量的分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀,减轻乃至避免结构的扭转振动,最简单而又行之有效的办法是建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、椭圆形等简单平面。

房屋建筑也是一门艺术,要追求平面和立面的表达效果。同时,由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制,高层建筑不可能全部:采用简单平面,当要采用不规则L形、丁字形、星形、十字形等比较复杂的平面时,应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在一定范围之内。在进行结构设计时,应进行精细的作用反应分析,以便取得确切的内力和变形。

一座给定建筑平面形状的高层建筑,不同的结构布置其扭转振动效应也将是不同的。对称结构在水平力作用下一般仅发生平移振动,而非对称结构由于结构刚度中心偏于结构平面中心的一侧,在水平力作用下必然发生扭转振动效应,其结果是远离刚度中心,且刚度较小的构件,由于侧移和分担的水平剪力均较大,较早地因变形过大或结构强度不足导致构件破坏,甚至引发整个结构破坏。因此,进行给定建筑平面的结构布置时一定要注意结构刚度的对称均衡,①竖简刚度很大,位置要尽量居中对称。②剪力墙为主要抗侧力构件,要分散均匀且尽量沿周边布置。③作为荷载竖向考虑的填充墙的刚度也不能忽视。

另外。高层建筑的层数多,重心高,即使设计时已经注意质量和刚度的对称布置,由于偶然偏心等原因,结构发生扭转振动也是可能的再者.地震也存在转动分量,在地面转动分量作用下,即使十分对称的结构也会发生扭转振动。尤其是建筑层数很多时,上部各层的刚度偏心造成扭转效应对下层逐渐积累。对结构产生很大的影响。因此,结构的承载力和刚度宜自下而——上逐渐减小,变化均匀,连续,不要突变。

当出现了竖向不规则结构时,我们应考虑多种因素的精确分析方法,最好进行弹塑性时程分析,合理确定软弱楼层的塑性集中变形,采取增大楼层结构延性等措施,提高其变形能力。

同时,高层建筑的抗水平力构件应沿房屋周边布置,以便能提供足够大的扭转力矩构件沿周边布置形成空间结构后,也可提供较大的抗倾覆力矩。

3 位移限值、剪重比及单位面积重度

3.1 位移限值 在结构整体计算的输出结果中,结构的侧移(包括层间位移和顶点位移)是一个重要的衡量标准,其数值大小从一个侧面反映出结构的整体刚度是否合适,过大或过小都说明结构刚度过小或过大(或者体现结构两个主轴方向的刚度是否均衡),以致要引起设计者对其中的结构体系选择、结构的竖向及平面布置合理性的再思考。现行规范中将顶点位移与层间位移并重对待,经实践探索并参照国外经验,得出的结论为:高层建筑尤其是超高层建筑,顶点位移限值决定的不仅是其数值大小而且还有其振动频率,人的舒适感觉与振动频率有关而与振动幅度(绝对位移)关系不大,即摆动频率不太高时就可满足人们的舒适度;其次,防止结构由于变形过大而可能遭受损坏或破坏的控制因素是层间相对位移,而其限值在现行规范中似偏严,可予放松。同一结构用不同的计算程序计算,如果其层间位移数值差异很大,则有可能是其“层间位移”内涵不同所致,有的是指楼层形心位移,有的则专指考虑楼层转动后的最大角点位移,后者通常比前者要大,形心位移对规则建筑有意义,而角点位移则更能反映结构楼层的真实位移,因此角点位移是结构工程师必须关注的一个数值。

3.2 剪重比及单位面积重度 结构的剪重比(也即水平地震剪力系数) ≈=VEN/G是体现结构在地震作用下反应大小的一个指标,其大小主要与结构地震设防烈度有关,其次与结构体型有关,当设防烈度为7、8、9度时,剪重比分别为0.012,0.024,0.040;扭转效应明显或基本周期<3.5s的结构剪重比则分别ξ0.016,0.032,0.064。

单位面积重度≥0=G/A(KN/m2)是衡量结构构件截面取值是否合理和楼层荷载数据输入是否正确的一个重要指标。式中的G由以下几部分,即结构构件自重、楼面建筑面层及天棚抹灰(或吊顶)重、填充墙(包括抹面层)重和楼面使用荷载组成;A则一般以地面以上的建筑面积总和计算,以便有一个相对准确的比较标准。定性地分析比较r0值的大小,可得出以下结果,即一般内部隔墙多的建筑(比如住宅)大于间隔墙少的建筑(比如敝开式办公室);层数多的建筑略大于层数少的同性质建筑;设防烈度高的建筑大于设防烈度低的同性质同规模建筑;剪力墙多的建筑大于剪力墙少甚至仅为框架的建筑。一般高层建筑的单位面积重度在10～18kN/m2之间,除个别较特别的以外。多数在15kN/m2左右。

以上两个指标不仅在施工图设计阶段,而且在初步设计阶段都是非常重要的数据,其数值正常与否从另一个侧面反映出结构体系的选择是否合适,结构布置(包括构件截面确定)是否合理,电算数据输入是否正确,以及最后决定电算结果是否可信可用等,因此结构设计者对这两个指标切不可掉以轻心,更不可认为是无关紧要的。

4 建筑结构的轴压比

轴压比是指柱组合的轴力设计值Nc与柱的横截面面积Ac和混凝土抗压强度设计值fc乘积的比值。试验和震害表明:钢筋混凝土柱的轴力过大,柱的延性将显著变小,很容易发生脆性的剪切破坏,不符合强剪弱弯的概念设计原则。故轴压比的控制,对保证其延性非常重要。我们应采取提高柱混凝土的标号及扩大柱截面等措施缩小柱的轴压比,提高结构的延性。高层建筑轴压比的控制范围在《钢筋混凝土高层建筑结构设计与设计施工规程》中有专门的要求。

5 连梁设计

《建筑抗震设计规范》和《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》对连梁的剪力设计取值、剪压比限制和截面尺寸都作了具体规定。在工程设计中,往往由于连粱的跨度较小,截面高度大,使连梁在地震作用下,经内力计算的弯矩和剪力很大,而难以满足规范的要求;设计时可以根据不同情况采取下列措施。

5.1 根据《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》的规定,在内力和位移计算时,其构件可采用弹性刚度,在框架一剪力墙结构中,连梁刚度可予以折减。因此,处理连梁超筋或截面控制超过剪压比的首要方法是选好刚度折减系数。在地震作用下,为了使连梁能吸收较多的能量,保证连梁有较好的延性,又能起到有效传

递弯矩和剪力的作用,刚度折减系数不应小于0.55;在风荷载作用下,为了使连梁在正常使用状态下裂缝控制在一定的范围内, 刚度折减系数不应小于0.80。

5.2 当连梁刚度折减后,部分楼层的连梁仍然不满足要求时,可采用内调幅,调幅不宜超过20%。但应满足抗震设计强剪弱弯的要求,在满足剪压比限值的条件下,配置足够的箍筋。

5.3 当连梁超筋较多时,可采取下列措施:当结构刚度较大、位移较小时,可适当减小连梁的高度,使连粱的弯矩及剪力迅速减小。

高层建筑结构受力情况和低层建筑有着截然不同的性质,在进行结构设计时侧重点和低层建筑也不尽相同,需要特别注意结构扭转、振动周期、轴压比等若干问题。

6 结束语

目前新高规和新抗震规范的改进。对高层建筑结构设计的要求不断地完善,作为工程设计人员必须充分地理解新规范软件的编制原理,密切结合新规范和工程实际情况,不断地提高工程设计水平。

参考文献:

[1]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例.中国建筑工业出版社.2004.