高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中混凝土的應(yīng)用

蘇光能

（云南省建筑科學(xué)研究院，云南 昆明 650223）

1 提高結(jié)構(gòu)重要部位的延性,防止截面鋼筋超配

1.1 要使高層建筑在遭遇強烈地震時具有很強的抗倒塌能力,最理想的辦法是使結(jié)構(gòu)中所有的構(gòu)件都具有很高的延性。然而在實際工程中很難完全做到這一點,比較經(jīng)濟的辦法是有選擇有重點的提高結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件或某些構(gòu)件中關(guān)鍵部位的延性。在結(jié)構(gòu)豎向,對于剛度沿高度均勻分布的、體形較簡單的高層建筑,應(yīng)著重提高底層構(gòu)件的延性;對于大底盤高層建筑,應(yīng)著重提高主樓與裙房頂面相銜接的樓層中構(gòu)件的延性;對于不規(guī)則立面的高層建筑,應(yīng)著重加強體形突變處樓層構(gòu)件的延性;對框支結(jié)構(gòu),應(yīng)著重提高底層或底部幾層框架的延性。在結(jié)構(gòu)平面位置上,應(yīng)該著重提高房屋周邊轉(zhuǎn)角處、平面突變處以及復(fù)雜平面各翼相接處構(gòu)件的延性;對偏心結(jié)構(gòu),應(yīng)加大房屋周邊特別是剛度較弱一側(cè)構(gòu)件的延性;對具有多道抗震防線抗側(cè)力構(gòu)件,應(yīng)著重提高第一道抗震防線構(gòu)件的延性。

1.2 使結(jié)構(gòu)能進入彈塑性狀態(tài),并能通過結(jié)構(gòu)的塑性變形吸收地震能量、抗御更高烈度的地震,從而達到“中震可修、大震不倒“的設(shè)防目標就必須做到“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱桿件”,才能使結(jié)構(gòu)在進入彈塑性狀態(tài)后形成合理的延性較大的屈服機制。在強震作用下,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是按照各構(gòu)件的實際承載力進行分配的,而構(gòu)件實際承載力的大小和構(gòu)件截面的實際配筋有關(guān)。但是值得注意的一個問題是在實際設(shè)計時,對某些構(gòu)件的配筋進行放大調(diào)整,形成了強梁弱柱、強桿件弱節(jié)點的不利情況,這樣做的結(jié)果可以保證構(gòu)件小震不壞,但是因為形不成延性結(jié)構(gòu)就不能保證大震不倒。再比如將柱子縱筋不恰當?shù)姆糯蠛?其截面的實際抗彎承載力會提高很多,地震時實際承受的彎矩很大,而由實際彎矩算出的剪力也會加大,可是構(gòu)件的斜截面承載力沒有提高,從而形成了所謂的強彎弱剪構(gòu)件,脆性加大,延性降低。強震時結(jié)構(gòu)的耗能能力和抗震性能都會變得很差,處于不安全狀態(tài)。因此在設(shè)計工作中,必須注意構(gòu)件截面縱向鋼筋的超配現(xiàn)象,同時也要注意材料的超強問題。

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2 注意高大建筑的整體穩(wěn)定性

對高層建筑來說,在抗震設(shè)計中,房屋的高寬比是一個需慎重考慮的問題。近年來出現(xiàn)了許多板式高層住宅,其立面高度很大而房屋進深尺寸有限,即高寬比超過了規(guī)范限值。建筑物的高寬比愈大,也就是說建筑愈瘦高,在地震作用下的側(cè)移就愈大,地震引起的傾覆作用就愈嚴重,巨大的傾覆力矩在柱中和基礎(chǔ)中引起的拉力和壓力比較難處理。結(jié)合幾年來的工程實踐,有以下幾點體會。

2.1 對整個建筑進行抗傾覆穩(wěn)定性驗算,使地震作用下的傾覆力矩與相應(yīng)的重力荷載在基礎(chǔ)與地基交界面上的合力作用點,不應(yīng)超出力矩作用方向抗傾覆構(gòu)件基礎(chǔ)邊長的1/4。

2.2 加大建筑物下部幾層的寬度,使其滿足規(guī)范高寬比的限值,但盡可能避免形成大底盤建筑。必要時通過設(shè)置類似扶壁的鋼筋混凝土構(gòu)件,來增加基礎(chǔ)底板的懸挑寬度,達到擴大基礎(chǔ)底面積的效果,從而保證上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2.3 使基礎(chǔ)有足夠的埋置深度。在部分設(shè)計圖紙上,發(fā)現(xiàn)裙樓和高層主樓從地上到地下用變形縫徹底分開,導(dǎo)致主樓基礎(chǔ)埋深不夠或者根本沒有埋深,地震時會使建筑物發(fā)生滑移、整體傾斜甚至傾覆。這個問題必須引起注意。

2.4 對于高寬比很大的高層建筑,建議盡可能采用深基礎(chǔ),即采用配有鋼筋的樁基礎(chǔ),樁基礎(chǔ)鋼筋在承臺內(nèi)的錨固長度要足夠大。因為樁是埋在土中的細長構(gòu)件,由于樁土摩擦力的存在,樁的抗拔性能較好,從而能很好地抵抗上部結(jié)構(gòu)的傾覆。盡可能避免采用天然地基或復(fù)合地基上的淺基礎(chǔ)。

3 剪力墻設(shè)計中需要注意的幾個問題

3.1 鋼筋混凝土抗震墻的延性和破壞形態(tài)與墻體的高寬比和超靜定次數(shù)密切相關(guān)。

3.1.1 為了提高抗震墻的變形能力,避免發(fā)生剪切破壞,對于一道截面較長的抗震墻,應(yīng)該利用洞口設(shè)置弱連梁,使墻體分為小開口墻、多肢墻或單肢墻,并使每個墻段的高寬比不小于2。所謂弱連梁,是指在地震作用下各層連梁的總約束彎矩不大于該墻段總地震彎矩的20%;連梁不能太強,以免水平地震作用下某個墻肢出現(xiàn)全截面受拉,這是比較危險的。但是,考慮到耗能,連梁又不能太弱,連梁弱到成為一般小梁時,墻肢就變成單肢墻,而單肢墻的延性很差,僅為多肢墻的一半,且單肢墻僅具有一道抗震防線,超靜定次數(shù)少,在地震作用下是很不利的。目前,有許多設(shè)計人員將結(jié)構(gòu)中門洞連梁、窗洞連梁都改為截面高度極小的二力桿件,這對結(jié)構(gòu)抗震是很不好的。

3.1.2 在實際設(shè)計中,對連梁的剛度都要進行折減,這是因為剪力墻的剛度一般都很大,在水平力作用下,剪力墻中的連梁會因為很大的內(nèi)力而超過截面允許值,可靠的辦法是讓這些連梁先屈服,要使連梁能形成塑性鉸而不發(fā)生脆性破壞,連梁首先就必須滿足強剪弱彎的要求,對連梁的剛度進行折減實際上就是降低其抗彎能力。

3.2 規(guī)范規(guī)定,剪力墻在端部應(yīng)設(shè)置暗柱、端柱等邊緣構(gòu)件。

這些邊緣構(gòu)件的作用相當于磚混結(jié)構(gòu)的約束柱,當結(jié)構(gòu)的剛度較小,地震作用下層間位移和頂點位移較大時,邊緣構(gòu)件所起的作用也就越大,此時暗柱的截面和配筋就應(yīng)加大。如果剪力墻的總截面面積與樓層面積之比值較大時,且房屋高度較小、樓座面積較大時,墻端部的暗柱面積和配筋量就不需按規(guī)范要求設(shè)置那么多。1985年智利大地震時,有300多棟鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的破壞較輕,但它們的墻端并無較好的約束。這就是最好的證明。

3.3 在鋼筋混凝土全墻結(jié)構(gòu)中,采用大開間剪力墻結(jié)構(gòu)好,還是采用小開間剪力墻結(jié)構(gòu)好,這一直是一個爭論的焦點問題。大開間剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點較多:a.墻體數(shù)量少,相應(yīng)的混凝土用量少,墻體的約束構(gòu)件少,結(jié)構(gòu)自重輕；b.相對小開間剪力墻結(jié)構(gòu),其抗推剛度小,自振周期長,水平地震作用??；c.墻體的配筋率適當,結(jié)構(gòu)的延性增加,地震時能充分發(fā)揮墻體約束構(gòu)件的作用;d.使用空間大,建筑布置靈活。缺點是；1)樓板跨度大,鋼筋用量大；2)要求設(shè)置高效輕質(zhì)的隔墻,造價高。

4 屋面高大女兒墻的設(shè)計方法

對于高層建筑,為了照顧立面效果,屋頂女兒墻往往做的很高,其荷載效應(yīng)對主體結(jié)構(gòu)的影響越來越明顯,這一點常常被設(shè)計者所忽略。在設(shè)計上,女兒墻無法直接參與主體結(jié)構(gòu)的分析,所以在計算時往往僅考慮女兒墻的自重,當女兒墻較低時,這種方法是符合精度要求的,不會影響結(jié)構(gòu)的安全;但是,隨著女兒墻高度的增加,其地震荷載和風(fēng)荷載效應(yīng)也在增加,對主體結(jié)構(gòu)的影響越來越大。因此,當女兒墻較高時,要仔細計算女兒墻所受水平荷載的情況。由于其側(cè)向剛度較小,女兒墻一般采用鋼筋混凝土材料,配筋計算可按支承于屋頂?shù)膽冶郯鍋砜紤],且應(yīng)配雙層鋼筋。為保證屋面女兒墻與主體結(jié)構(gòu)的可靠連接,屋面女兒墻所在的框架梁或墻必須具有足夠的抗彎、抗扭剛度,即對框架梁要根據(jù)女兒墻的底部計算彎矩配置受扭鋼筋。對女兒墻的計算,主要應(yīng)該驗算在正常使用情況下由風(fēng)荷載引起的內(nèi)力并進行截面配筋。有人認為應(yīng)進行地震作用計算,并將其地震作用乘以放大系數(shù)3來進行內(nèi)力、配筋計算,認為一般情況此法沒有必要;因為女兒墻在結(jié)構(gòu)中畢竟是次要構(gòu)件,只要通過合理的構(gòu)造措施,來保證發(fā)生強烈地震時,女兒墻不致于倒塌掉下來傷人即可。

5 地下室外墻的設(shè)計方法

在一般情況下,地下室外墻所承受的主要荷載為結(jié)構(gòu)自重、地面活載、側(cè)向土壓力等。在我國已建成的高層建筑中,地下室外墻的墻厚和配筋相差很大,墻厚在200mm～700mm之間,配筋在565mm2～4909mm2之間,可見在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟之間選擇一個合理的平衡,始終是一個值得探討的課題。地下室外墻的受力狀況與上部結(jié)構(gòu)類型及平面布置有很大關(guān)系。當上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)時,上部填充砌體及±0.00樓板對地下室外墻頂端的約束程度很小,此時可假定墻體頂端為鉸接。當上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)時,剪力墻及±0.00樓板對地下室外墻頂部的約束程度很大,此時可假定墻壁頂端為固接?；A(chǔ)的剛度一般遠大于墻體剛度,所以墻的下端一般視為固定端。在實際情況中,考慮到邊界條件不十分明確,為安全起見,可對同一邊界采用兩種不同的假設(shè),如按端部固定計算墻端彎矩,按端部鉸接計算墻跨中彎矩。一般來講,當上部結(jié)構(gòu)為框架時,地下室外墻的墻厚和配筋要大些;當上部結(jié)構(gòu)為剪力墻時,由于正壓應(yīng)力的存在,墻體厚度和配筋相對要小些。計算表明,外墻壁配筋滿足裂縫寬度要求后,一般能同時滿足承載力計算和構(gòu)造要求;而當外墻配筋滿足承載力計算時,卻不一定滿足最大裂縫寬度允許值要求。有人認為外墻內(nèi)外側(cè)配筋應(yīng)根據(jù)內(nèi)力值計算大小分別配置,其實沒有必要,最好等量對稱配筋。另外,外墻厚度還要考慮防水要求,不應(yīng)小于250mm,混凝土的抗?jié)B等級不應(yīng)小于S6(0.6MPa)。

6 超長結(jié)構(gòu)的溫度變形和混凝土干縮變形

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定,在室內(nèi)條件下現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距為55m,現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距為45m;在露天條件下,結(jié)構(gòu)伸縮縫的間距還要小,這樣規(guī)定的目的就是解決兩個方面的問題:

6.1 現(xiàn)澆混凝土在凝固硬化時會產(chǎn)生收縮應(yīng)力,以致在結(jié)構(gòu)中形成干縮裂縫,結(jié)構(gòu)越長,干縮的影響越大。

6.2 結(jié)構(gòu)在使用其間必然要經(jīng)過春夏秋冬季節(jié)的變化,大氣溫度的變化會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱脹冷縮,從而在結(jié)構(gòu)中造成溫度裂縫,同樣,結(jié)構(gòu)越長,溫度的影響越大。但是,在實際工程中超長建筑物常常出現(xiàn)。如果按規(guī)定去設(shè)伸縮縫,就會出現(xiàn)雙墻、雙柱、雙梁,給建筑物的立面處理、防水構(gòu)造帶來很大的困難。為了解決超長結(jié)構(gòu)混凝土干縮裂縫的問題,目前常常采用的一種辦法是設(shè)置混凝土后澆帶,即將較大的樓板面積劃分成小的區(qū)格,首先用混凝土澆筑小的區(qū)格,當小區(qū)格混凝土干縮變形大部分完成后,再澆筑區(qū)格之間的預(yù)留帶。這樣在很大程度上減少了結(jié)構(gòu)的干縮裂縫。但是,后澆帶不能代替結(jié)構(gòu)的溫度伸縮縫。因為后澆帶混凝土硬化后,樓板連接成一個較長的整體,后澆帶的作用不再存在。有資料表明,在溫差作用下,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律如下:1)屋面或屋面下1層～2層應(yīng)力較大,以下各層迅速遞減;2)同一層樓板處中間應(yīng)力大,兩邊應(yīng)力小;3)對剪力墻來講則是兩端應(yīng)力大,中間應(yīng)力小;4)對于山墻來講頂部幾層的拉應(yīng)力大;5)結(jié)構(gòu)剛度突變的一層應(yīng)力大,比如結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上面的那一層。根據(jù)以上溫度應(yīng)力變化規(guī)律,對于超長結(jié)構(gòu)就可以采取以下措施:1)加強屋面、外墻面的保溫隔熱措施,減少陽光對結(jié)構(gòu)的直接輻射;2)對溫度應(yīng)力較大的部位加強配筋,溫度鋼筋要設(shè)置的細而密;3)對屋頂外露挑檐板、女兒墻等構(gòu)件,每隔15m左右設(shè)置一道縫,縫寬20mm,縫內(nèi)縱向鋼筋可以不斷開。

7 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)設(shè)計是個系統(tǒng)、全面的工作，需要扎實的理論知識功底，靈活創(chuàng)新的思維和嚴肅認真負責(zé)的工作態(tài)度。設(shè)計人員要從一個個基本的構(gòu)件算起，做到知其所以然，深刻理解規(guī)范和規(guī)程的含義，并密切配合其它專業(yè)來進行設(shè)計，在工作中應(yīng)事無巨細，善于反思和總結(jié)工作中的經(jīng)驗和教訓(xùn)。

[1]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GBJ11289)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989.

[2]鋼筋混凝土高層設(shè)計探討 [J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,1998,19(2):15-21.

[3]方鄂華主編.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,1985.

[4]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].2002.