高层建筑结构设计中需注意的几个常见问题

刘成刚

中图分类号：TU972 文献标识码： A 文章编号：

摘要: 本文主要分析了高层建筑结构设计过程中的几个常见问题，并针对问题提出了相应的控制措施，供参考。

关键词: 高层建筑; 结构设计;问题; 分析

Abstract: this paper mainly analyzes the high-rise buildings in the process of structure design of common problems, and proposes the corresponding control measures, for reference.

Keywords: high building; Structure design; Problem; analysis

1引言

在高层建筑结构的设计中, 通常采用钢和钢筋混凝土两种材料。钢筋混凝土结构造价低, 材料来源丰富, 能浇注成各种复杂断面形状, 可组成多种结构体系, 并可节省钢材, 耐久性、耐火性好, 承载能力也不低, 经过合理设计, 可获得较好的抗震性能。它的主要缺点是构件断面大,自重大, 费模费工。而钢材强度高, 韧性大, 易于加工。高层钢结构具有结构断面小, 自重轻, 抗震性能好的优点。

钢结构构件可在工厂加工, 能缩短现场施工工期, 施工方便。但是高层钢结构用钢量大, 造价很高, 而且耐火性能不好, 需要用大量防火涂料, 增加了工期和造价。在发达国家, 大多数高层建筑采用钢结构。在我国,随着建筑物高度的增加, 也有采用钢结构的高层建筑。由于钢筋混凝土和钢结构各有所长, 又各有所短, 所以更为合理的结构是同时采用钢和钢筋混凝土材料的组合结构。

这种结构可以使两种材料互相取长补短, 取得经济合理、技术性能优良的效果。现就高层建筑结构设计过程中常见的几个问题及其对策与同行商榷。

2高层建筑结构设计过程中常见的问题及其对策

2.1高度问题

按我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》规定, 综合考虑经济与适用的原则, 给出了各种常见结构体系的最大适用高度, 详见表1。

表1 钢筋混凝土结构高楼的最大适用高度(m)

这个高度是在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下, 较为稳妥的, 也是与目前整个土木工程规范体系相协调的。可实际上, 已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制, 如: 采用组合结构体系的金茂大厦, 高达420.15 m (建筑高度) ; 采用混凝土结构体系的中信广场, 也高达322 m (建筑高度) 。对于超高限建筑物, 应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下,超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加, 许多影响因素将发生质变, 即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围, 如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。

2.2材料的选用和结构体系问题

在地震多发区, 采用何种建筑材料或结构体系较为合理是工程技术人员非常重视的问题。我国150 m以上的建筑, 采用了三种主要结构体系: 框一筒、筒中筒和框架一支撑。这些也是其他国家高层建筑经常采用的主要结构体系。但国外在地震区, 多是以钢结构为主, 而在我国, 钢筋混凝土结构及混合结构占了90 %。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构, 在国内外都还没有经受较大地震作用的考验。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力, 有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主, 变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大, 靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移, 不仅增大了钢结构的负担, 而且效果不大, 有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构,形成加强层才能满足规范侧移限值。此外, 在结构体系或柱距变化时, 需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变, 常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大, 且加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。此在需要设置加强层及转换层时, 要慎重选择其结构模式, 尽量降低其本身刚度, 以减少不利影响。

在高层建筑中, 根据现在我国建筑钢材的类型、品种和钢结构的加工制造能力, 建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱) 结构或钢结构, 以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后, 为减小风振,钢骨(钢管) 混凝土通常作为首选。采用格构式的型钢时,震害严重, 采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的, 则震害要减少许多。

2.3轴压比与短柱问题

在钢筋混凝土高层建筑结构中, 往往为了控制柱的轴压比而使柱的截面很大, 而柱的纵向钢筋却为构造配筋。即使采用高强混凝土, 柱断面尺寸也不能明显减小。限制柱的轴压比是为了使柱子处于大偏压状态, 防止受拉钢筋未达屈服而混凝土被压碎。柱的塑性变形能力小, 则结构的延性就差, 当遭遇地震时, 耗散和吸收地震能量少, 结构容易被破坏。但是在结构中若能保证强柱弱梁设计, 且梁具有良好延性, 则柱子进入屈服的可能性就大大减少,此时可放松轴压比限值。另外, 许多高层建筑底几层柱的长细比虽然小于4, 但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比, 只有剪跨比小于2的柱才是短柱。

有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值, 柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。

2.4在某些烈度区采用较低的抗震措施与构造措施现在许多专家学者提出, 现行的建筑结构设计安全度己不能适应国情的需要, 认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外, 对于“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”这个抗震设计原则, 在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准比较低, 当取50年为分析年限时, 小震烈度对应的被超越概率为63.2% , 重现期为50年, 中震烈度对应的被超越的概率为10% , 重现期为475年, 大震对应的超越的概率为2%左右, 重现期为2000年左右, 同时规定抗震设防烈度与设计基本地震加速度的对应关系。

设防标准低的根本原因在于国家财力物力有限。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外, 具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外; 在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上, 与外国相比, 也有异同, 其中的8度区, 我国就明显不如外国严格。随着社会财富的增长, 结构失效带来的损失愈来愈大,加之结构造价在整个投资中的比例下降, 因而结构在设防烈度下应该采用弹性设计, 特别是高烈度区要有严格的抗震措施与抗震构造措施来保证结构的安全。

3结束语

高层建筑的竖向结构体系从上到下一层层地传递累积着重力荷载, 因此要求较大的柱或墙截面来承受这些荷载。同时, 这些竖向结构体系还必须把风荷载或地震作用等侧向荷载传给基础。可是, 与竖向荷载相比, 侧向荷载对建筑物的效应不是线性的, 而是随建筑物的增高而迅速增大。高层建筑结构设计有如下一些特点: 水平荷载起控制作用, 侧面位移必须加以限制, 轴向变形在侧移中占有很大的份额, 所以在结构体系选型时应充分考虑这几个特点。对于低层、多层或高层建筑, 其竖向和水平结构体系设计的基本原理是相同的。但随着高度的增加, 由于以下两个原因, 竖向结构体系成为设计的控制因素: 一个是较大的竖向荷要求有较大的柱、墙和井筒; 另一个更重要的是,侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多, 高层建筑结构设计人员必须以精心设计来保证。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。