高层结构设计中结构体系的确定

黄　民

摘 要:高层结构计算机程序正进入商品化阶段,每个程序都有一些限制条件和假定,在使用程序时有些应注意的问题往往被忽视,而有关规范和规程的规定也不尽完善。相对于多层建筑,高层建筑的受力特点:一是柱子、墙体的轴向变形及截面剪切变形对结构内力变形的影响; 二是因风力或地震的水平荷载作用所产生的内力和位移变形常为结构设计的控制因素,抗侧力结构的设计成为关键。本文针对高层结构的受力特点,提出在设计中确定结构体系应该注意的几点问题。

关键词:高层建筑;结构设计;结构体系

随着我国经济不断发展,城市化进程的加快,城市中钢筋混凝土结构的高层建筑愈来愈多,由于建筑形式的多样化, 建筑设计理念的不断创新,各种不同使用功能的多元化等诸多因素, 使得高层建筑形体日趋复杂,形态各异,给结构设计增加了一定的难度,往往会遇到一些规范或规程未论及的问题,这时概念设计就显得尤其重要。

1 结构的平面形状及立面型式

高层建筑结构要抵抗竖向和水平荷载作用,高层建筑结构中的抗侧力成为结构设计的主要问题,因此,平面形状宜简单、规则、对称,避免过多的外凸、内凹。在抗震结构中,结构体型、布置、构造措施的好坏比计算是否精确更直接影响结构的安全。平面和体型的选择必须在综合考虑使用要求、建筑美观、结构合理及便于施工等各种因素后确定。在高层建筑结构设计中,保证结构安全和经济合理等要求比一般多层结构整体性也不同,若上部结构通过合理结构设计能保证结构具有足够的刚度,以使结构在地震作用下和风振作用下都不会有过大的动力反应,高宽比控制也可以大些。比高层建筑更细柔的高耸结构设计时并不采用H/B来控制,而是通过计算确定附加弯矩等不利因素从而采用相应的措施,安全性同样能得到保证。因此,可以通过合理的基础和上部结构设计来考虑结构整体性和抗倾覆性的要求,适当突破高宽比的限值。

2 侧向位移的限值

高层建筑结构的水平位移随着高度的增长而迅速变大,为防止位移过大,规范对顶点位移和层间位移都作了一定的限制。控制顶点位移u/H 的主要目的是保证居住、工作的人有舒适感和防止房屋在罕遇地震时倒塌,但人的舒适感主要与结构的自振周期和顶点的加速度有关,而与顶点位移并没有十分直接的关系,所以用控制u/H来保证人的舒适度根据并不充分。另外u/H较大的结构只是可能会倒塌,而结构遭遇到强烈地震时能保证不倒塌的关键,是结构构件、结构体系应具有足够的变形能力和耗能能力,如采用一些减振、隔振装置,关键部位用钢骨混凝土等。使结构具有足够的延性是抗震设计的关键,控制房屋在罕遇地震时倒塌与否的条件是结构极限变形能力而不是u/H限值。另外,为使结构具有较好的防倒塌能力,应在结构计算中考虑P一△效应,对于今天计算机技术迅速发展的情况,这已不是一件难事。控制层间位移△u/h的主要目的是防止填充墙、装饰物等非结构构件的开裂和损坏,但目前的限值中没有明确△u的定义,上下两层的水平位移差与层转角的含义又不同,下层转动引起的上层刚性位移对构件内力并不产生影响,弯曲产生的变形和剪切建筑更为突出,因此宜尽量采用简单规则的平面,立面型式也应避免过多外挑内收。目前有一些高层建筑的平面形状过于复杂,凹角很多,对抗震是不利的,特别是一些工程采用了收腰的平面,在平面的狭窄部位,地震时容易破坏,所以在方案选择阶段宜尽量调整,加大宽度、加厚楼板。再如近年建成的同济大学图书馆等,这类悬挂结构只有中央电梯井落地,楼面全部悬挑,从整体上来看是竖向悬臂结构,缺少第二道防线,所以在抗震设计时宜慎重采用。为了建筑外形的标新立异而以结构抗震和安全隐患为代价是得不偿失的。大量震害的经验教训表明,建筑物平面布置不对称、刚度不均匀、高低错层连接、屋顶局部凸出或沿高度方向刚度突变等都容易造成震害。要使结构的刚度中心和质量中心尽量重合,以减小扭转。建筑平面愈复杂,在凹凸拐角等处愈易造成应力集中而遭到破坏。在完全对称的平面中,也应注意凸出部分的尺寸比例。如果凸出部分较长,要在结构设计中采取相应的措施。结构的竖向布置要做到刚度均匀而连续,避免刚度突变,避免软弱层。刚度突变及软弱层常常是由于切断剪力墙所致。如果有少数剪力墙切断,则其他剪力墙在该切断层应予以加强。

3 结构刚度

高层建筑的抗侧刚度对结构的抗震性能有很大影响,应设计得刚些还是柔些, 不同的设计有不同的做法,因此各结构物的经济指标相差较大。产生的变形对构件内力的影响也是不一样的。因此,虽然△u/h有限值要求,但不同的算法所得的数值有时会相差几倍,所以△u/h实际上失去了指导意义。另外,衡量填充墙、装饰物等非结构构件的开裂的损坏与否,用△u/h来控制也不是最妥当,如非结构构件与主体结构之间是刚性连接,则应主要看其主拉应力是否超出材料的开裂强度和破坏强度;若非结构构件与主体结构是柔性连接且连接材料具有较好的变形能力,则△u/h超出限值也并不会破坏。

4 高宽比限值

《钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程》(JGJ3- 91)中对高层建筑的结构高宽比H/B进行限值的目的是为了保证结构整体的稳定性和不倾覆。一般而言,随着建筑物高度的增加,倾覆力矩也将迅速增大,高宽比大的结构其安全性和经济性较差,所以高宽比限值原则上是需要的。但目前高宽比限值中考虑的因素过于简单。首先,结构的抗倾覆性与基础埋深、基础宽度及基础形式等有很大的关系。基础埋得越深、基础宽度越大,结构抗倾覆能力就越好,高宽比控制就可以稍大一些;有桩基础的结构,其抗倾覆能力比天然地基的抗倾覆能力好,所以高宽比控制也可以大些。其次,上部结构的刚度分布不同,且所有钢筋在同一截面截断锚固也有违规范要求。如果钢筋不断,则混凝土伸缩时会引起钢筋产生预应力,如此力与正常受力方向一致,则降低了承载力。因此,不能一概用后浇带代替结构缝,应对后绕带的作用客观分析,对其带来的不利因素应充分考虑,必要时应采取其它措施加以

弥补。

5 水平加强层

在框架一简体结构中利用水平加强层可以有效地减小结构侧移,增强侧向刚度,这已被广大设计人员所了解。以往加强层多为钢桁架,其本身刚度有限,所能增加的侧向刚度也有限,一般作为结构安全储备而设。加强层由于利用水平构件达到增强侧向刚度的目的,比较经济。加强层构件如果设计得较柔(如采用钢构件),由于其刚度比内筒(一般为钢筋混凝土)的刚度小许多,往往起不到很大作用。如果加强层刚度较大,对减小侧移是有较大的效果, 但同时也会使内力有较大突变,特别是外柱的剪力增加较大,抗震不利,在设计中应慎重处理。按抗震概念设计要求,刚度有较大突变的结构部位会引起较大的应力集中,设计不周会产生薄弱楼层的先行破坏,所以应特别注意,不应主要靠加强层来达到限制侧移的目的,且应同时增强竖向构件的刚度,使加强层上下若干层的刚度和缓变化,避免刚度突变。另外,刚性层本身的刚度选择也非常重要,应在发挥刚性层作用的前提下尽量减小刚性层的刚度,如在刚性梁中开些大孔洞(应同时注意构造处理),使外柱剪力增加保持在可接受的范围内。

《钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程》(JGJ33-91)中有许多方面都涉及到概念设计的问题,如结构布置、选型及节点构造等,这些应在设计中给予高度重视。

参考文献

[1]《混凝土结构设计規范》(GB50010-2002)中国建筑工业出版社.

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)中国建筑工业出版社.

[3]《全国民用建筑工程设计技术措施》.中国规划出版社.