高層建筑結(jié)構(gòu)超限設(shè)計探討

摘 要 按我國的最大適用高度，從室外地面算起，凡超過了B級高度建筑180m的最大適用高度均被稱為高層超限結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文針對建筑高層超限設(shè)計進(jìn)行具體分析以及提出相應(yīng)的措施與大家共同探討。

關(guān)鍵詞 高層建筑 結(jié)構(gòu) 超限設(shè)計 措施

一、高層建筑超限設(shè)計分析的主體因素

（一）基于性能的抗震設(shè)計能否滿足抗震性能目標(biāo)

小震作用一般采用規(guī)范規(guī)定的振型分解反應(yīng)譜法或者彈性動力時程法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，中震一般采用彈性計算并采用結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服判斷分析法進(jìn)行判斷控制，大震采用靜力彈塑性的Pushover推覆分析及動力彈塑性分析分別進(jìn)行計算，以判斷結(jié)構(gòu)是否達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”各階段相應(yīng)的抗震目標(biāo)。

（二）考慮可能的風(fēng)載作用控制并驗算風(fēng)作用下舒適度

雖然風(fēng)荷載作用并不屬于抗震超限審查的必須項目，但基于高層超限結(jié)構(gòu)工程的經(jīng)驗來看，由于高度較大的超高層周期較大，往往由風(fēng)而不是地震起控制作用，故根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)周期的特點建議對超限設(shè)計分析時，加入風(fēng)載的分析內(nèi)容。具體分析指標(biāo)時要分析其它一些受相鄰超高層建筑物風(fēng)擾影響的超高層建筑的風(fēng)洞試驗的結(jié)果，如根據(jù)超限結(jié)構(gòu)工程可能會發(fā)生橫風(fēng)作用大于順風(fēng)而起控制的情況，應(yīng)結(jié)合工程超限結(jié)構(gòu)及體型特點，預(yù)估即使由橫向風(fēng)作用控制，比對應(yīng)方向順風(fēng)作用的增大值會不會超出，在超限計算中，應(yīng)對兩個方向的風(fēng)壓值分別乘以1.3的放大系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的位移和強(qiáng)度計算，以此來考慮可能起控制的橫向風(fēng)作用和最佳舒適度。

（三）根據(jù)高層超限結(jié)構(gòu)構(gòu)件和剛度需求分析溫差效應(yīng)

由于高層豎向構(gòu)件筒體、柱截面和剛度較大，不可避免要對現(xiàn)澆混凝土樓蓋梁板沿水平方向的溫差變形產(chǎn)生較大的約束，從而各自產(chǎn)生相應(yīng)的約束內(nèi)力，稱為水平溫差效應(yīng)。實際設(shè)計中主要考慮由樓屋蓋中面在施工和使用時與混凝土終凝時溫度的差值對結(jié)構(gòu)所引起的附加內(nèi)力。

（四）針對超限分析要考慮混凝土徐變收縮對結(jié)構(gòu)的影響

徐變收縮是混凝土固有的特性，鋼結(jié)構(gòu)則不存在徐變收縮問題，混凝土隨著作用在其上的壓應(yīng)力時間持續(xù)，將持續(xù)發(fā)生變形－徐變變形。一般來看。超限高層建筑由于豎向構(gòu)件高度大，其徐變變形累計大，并通常伴隨著收縮變形同時發(fā)生，這樣兩種變形的疊加，將使整個超高層建筑豎向構(gòu)件后期非荷載直接引起的塑性變形達(dá)到一個量級，會接近甚至超過荷載直接引起的彈性變形而不容忽視，可能會對部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件造成較大的不利影響，因此實踐工程設(shè)計時要對混凝土徐變收縮的影響進(jìn)行量化分析，評估其不利影響的程度，以判斷是否需采取相應(yīng)對策，以為建筑結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件提供可靠的質(zhì)量保證。

二、高層結(jié)構(gòu)超限設(shè)計中主體問題的解決措施

采用基于性能的抗震設(shè)計方法，對結(jié)構(gòu)是否達(dá)到小、中、大三個階段的抗震性能目標(biāo)進(jìn)行量化分析判斷，在考慮豎向荷載、風(fēng)和小震的作用時，采用規(guī)范方法進(jìn)行計算和設(shè)計，構(gòu)件基本不超筋，則可基本保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性階段，實現(xiàn)小震作用時結(jié)構(gòu)“處于彈性，結(jié)構(gòu)完好、無損傷”的第一階段抗震性能水準(zhǔn)。

對中震作用，采用彈性計算，選用中震的地震反應(yīng)譜曲線，計算中荷載及材料的分項系數(shù)、抗震承載力調(diào)整系數(shù)均取1.0，不考慮地震作用的內(nèi)力放大調(diào)整，并取材料的強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)這時構(gòu)件的地震作用組合效應(yīng)不大于按強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計算的抗震承載力，則可判斷構(gòu)件為中震不屈服。

豎向構(gòu)件及與外框柱及內(nèi)筒剪力墻面內(nèi)相交的主要框架梁均不出現(xiàn)屈服，梁均不出現(xiàn)受剪屈服，在小震及屈服判別地震作用1時，所有梁不出現(xiàn)受彎屈服；在判別地震作用2及中震時，核心筒連梁僅出現(xiàn)程度較輕的屈服（主要表現(xiàn)為面筋配筋率略>2.5%），可判斷為輕微的損傷；另，右側(cè)的邊框架梁在中震下也出現(xiàn)輕微屈服，經(jīng)將梁寬度適當(dāng)加大后，即可滿足該梁中震不屈服。實際設(shè)計時，將按小震和中震兩者的較大值對構(gòu)件進(jìn)行配筋，這樣則能實現(xiàn)中震作用下結(jié)構(gòu)“重要構(gòu)件不屈服，其它構(gòu)件部分允許受彎屈服，可修復(fù)使用”的第二階段抗震性能水準(zhǔn)。

對大震作用，則可以采用相應(yīng)軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析（Pushover）及用接口程序BEPTA進(jìn)行模型的前處理和準(zhǔn)備工作后通過分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性分析。按彈塑性程序計算所反映的塑性發(fā)展程度來對構(gòu)件以至整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的性能評價。

針對高層超限建筑結(jié)構(gòu)特點，對工程進(jìn)行超限設(shè)計時，除超限審查本身所要求的抗震方面的內(nèi)容外，還應(yīng)對風(fēng)載作用、溫差效應(yīng)、混凝土徐變收縮的影響、解決鋼管柱與混凝土內(nèi)筒間豎向壓縮變形差對框架梁產(chǎn)生過大附加內(nèi)力的對應(yīng)措施等進(jìn)行分析，雖然這些因素并非抗震超限審查的必須內(nèi)容，但確都屬于高層超限結(jié)構(gòu)能否真正實施所必須分析和解決的問題。

三、總結(jié)

當(dāng)進(jìn)行采用軟件在施工模擬進(jìn)行分析中，應(yīng)綜合考慮在施工階段由主體結(jié)構(gòu)去承受后加的恒載、活載、風(fēng)載及地震等作用，計算中同時考慮混凝土與鋼管混凝土徐變收縮的等影響的諸多因素，才能確保滿足高層超限結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。

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