高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

袁國強(qiáng)

【摘 要】當(dāng)高層建筑的層數(shù)和高度增加到一定程度時，它的功能適用性、技術(shù)合理性和經(jīng)濟(jì)可行性都將發(fā)生質(zhì)的變化。與多層建筑相比，在設(shè)計(jì)上、技術(shù)上都有許多新的問題需要加以考慮和解決。本文結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從多方面進(jìn)行了分析，具有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；參考價值

0 前言

多層和高層結(jié)構(gòu)的差別主要是層數(shù)和高度上，但從實(shí)際情況上分析兩者并沒有實(shí)質(zhì)性差別，它們都要抵抗豎向及水平荷載作用，從設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)方法而言，基本上是相同的。但是在高層建筑中，要使用更多結(jié)構(gòu)材料來抵抗外荷載，特別是水平荷載，因此抗側(cè)力結(jié)構(gòu)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題。

1 高層住宅結(jié)構(gòu)分析

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中主要把握以下幾個方面：

1.1 水平荷載成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素

結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移與高度的關(guān)系，除軸向力與高度成正比之外，彎矩和位移隨高度都呈指數(shù)曲線上升，因此，隨著高度的增加，水平荷載將成為主要控制因素。水平力作用下結(jié)構(gòu)是否優(yōu)化，材料用量將有很大差別。

1.2 在抗震地區(qū)，隨著層數(shù)的增加，地震作用對高層建筑危害的可能性也比對多層建筑大，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)受到加倍重視，工程位于抗震區(qū)，無需進(jìn)行地震作用計(jì)算，仍需要考慮抗震的構(gòu)造措施。

1.3 結(jié)構(gòu)側(cè)向位移成為控制指標(biāo)

與多層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而應(yīng)將結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移控制在某一限度之內(nèi)。

1.4 軸向變形不容忽視

高層建筑中豎向荷載數(shù)值很大，使得柱產(chǎn)生較大的軸向變形，從而會使得連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大。軸向變形還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，需要根據(jù)軸向變形的計(jì)算值調(diào)整下料長度。另外軸向變形也會對構(gòu)件的剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，如不考慮構(gòu)件豎向變形將會得出偏于不安全的計(jì)算結(jié)果。

1.5 結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

相對于多層建筑而言，高層建筑更柔一些，在地震作用下的變形會更大一些。為了避免結(jié)構(gòu)傾覆倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取合理措施，使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，即保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

2 結(jié)構(gòu)分析的基本原則

2.1 整體參數(shù)的設(shè)定

開始結(jié)構(gòu)計(jì)算時，首先需要根據(jù)規(guī)范的具體規(guī)定和軟件手冊對參數(shù)意義的描述，以及工程的實(shí)際情況，準(zhǔn)確設(shè)置軟件的初始計(jì)算參數(shù)。其中有幾個關(guān)系到整體計(jì)算結(jié)果的參數(shù)，必須事先確定其合理取值，才能保證后續(xù)計(jì)算結(jié)果的正確性。這些參數(shù)包括地震信息、風(fēng)荷載信息等。此計(jì)算目的是將這些對全局有控制作用的整體參數(shù)先行計(jì)算出來，正確設(shè)置，否則其后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差別很大。

2.2 結(jié)構(gòu)體系的合理性分析

規(guī)范特別強(qiáng)調(diào)了整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和合理性。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析是為了解結(jié)構(gòu)在地震作用下動力特性、判斷結(jié)構(gòu)的變形是否滿足抗震設(shè)防要求，以及進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)。規(guī)范中用于控制整體結(jié)構(gòu)合理性的指標(biāo)主要是周期比、位移比、剛度比、剛重比和剪重比等。

（1）周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)。周期比是結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比。限定周期比的目的是使抗側(cè)力的構(gòu)件的平面布置更有效更合理，使結(jié)構(gòu)不至于出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)。也就是說，限定周期比是使得結(jié)構(gòu)承載布局合理?！陡咭?guī)》第4.3.5條對周期比的限值給出了規(guī)定。如果周期比不滿足規(guī)范的要求，說明該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，設(shè)計(jì)人員應(yīng)增大結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度，以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。計(jì)算軟件通常不直接給出結(jié)構(gòu)的周期比，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)計(jì)算書中周期值自行判定第一扭轉(zhuǎn)和第一平動周期，然后計(jì)算得出周期比。

（2）層間位移比（位移比）是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性的重要指標(biāo)。位移比為最大層間位移與平均層間位移的比值。在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高規(guī)》中均對位移比的限值作了明確的規(guī)定。需要指出的是規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定得出的，如在結(jié)構(gòu)模型中設(shè)定的是彈性板，則必須在軟件參數(shù)設(shè)置時選擇“對所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定”，以計(jì)算出正確的位移比。在得出的位移比值滿足要求之后，去掉“對所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定”的選擇，按彈性樓板假定進(jìn)行后續(xù)配筋計(jì)算。

（3）剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。根據(jù)《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》的要求，軟件分別提供了地震剪力與地震層間位移比，剪切剛度和剪彎剛度的計(jì)算方法。正確認(rèn)識這三種剛度比的計(jì)算方法和適用范圍是剛度比計(jì)算的關(guān)鍵。地震剪力與地震層間位移比可用于判斷地下室頂板能否作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及對地下室嵌固條件的判定。剪彎剛度主要用于底部大空間為多層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

（4）剛重比是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。剛重比是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比。它既是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要因素，也是影響重力二階效應(yīng)的主要參數(shù)。如該值不滿足要求，則可能引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌，因而設(shè)計(jì)人員應(yīng)給予足夠的重視。

（5）剪重比（剪力系數(shù)）是抗震設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)。剪重比是樓層剪力與其上各層重力荷載代表值之和的比值?！犊拐鹨?guī)范》中5.2.5節(jié)對剪重比的最小值進(jìn)行了規(guī)定，主要是因?yàn)閷τ陂L周期結(jié)構(gòu)，規(guī)范所采用的振型分解反應(yīng)譜法無法正確計(jì)算出地震力所產(chǎn)生的作用，出于結(jié)構(gòu)安全考慮，因而規(guī)定了最小剪重比。

2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

上述主要是針對結(jié)構(gòu)整體合理性的計(jì)算和調(diào)整，這一步則主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)單個構(gòu)件內(nèi)力和配筋計(jì)算，包括梁，柱，剪力墻軸壓比計(jì)算，構(gòu)件截面優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

2.3.1 軟件對混凝土梁計(jì)算顯示超筋信息有四種情況

1）當(dāng)梁的彎矩設(shè)計(jì)值M大于梁的極限承載彎矩Mu時，提示超筋。2）在四級抗震及非抗震時混凝土截面受壓區(qū)相對高度ξ>ξb，二、三級抗震時ξ>0.35（計(jì)算時取AS=0.3AS），一級抗震時ξ>0.25（計(jì)算時取As=0.5AS），提示超筋。3）當(dāng)大于《抗震規(guī)范》要求梁端縱向受拉鋼筋的最大配筋率2.5%時，提示超筋。4）混凝土梁斜截面計(jì)算結(jié)果不滿足最小截面的要求時，則提示超筋。

2.3.2 剪力墻超筋的情況

1）剪力墻暗柱超筋。軟件中設(shè)定的暗柱最大配筋率是4%，而各規(guī)范以邊緣構(gòu)件方式給出了剪力墻主筋的配筋面積，沒有最大配筋率。所以當(dāng)程序給出剪力墻超筋的警告信息時，可以酌情考慮。2）當(dāng)剪力墻水平筋超筋時則說明該結(jié)構(gòu)抗剪承載力不夠，應(yīng)予以調(diào)整。3）當(dāng)剪力墻連梁超筋時，通常表明其在水平地震力作用下抗剪承載力不夠。規(guī)范中允許在地震作用下對剪力墻連梁的剛度進(jìn)行折減，折減后的剪力墻連梁在都會出現(xiàn)塑性變形，即開裂。但在進(jìn)行剪力墻連梁設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮其配筋是否滿彈性變形時承載力的要求。

2.3.3 柱的軸壓比計(jì)算

軟件在計(jì)算考慮地震作用下柱的軸壓比時，采用的是地震作用組合下的的柱軸力設(shè)計(jì)值；軟件在不考慮地震作用下柱的軸壓比時，采取的是非地震作用組合下的柱軸力設(shè)計(jì)值。因此對于同一個工程，考慮地震力和不考慮地震力時柱的軸壓比計(jì)算結(jié)果會不一樣。

2.3.4 剪力墻的軸壓比計(jì)算

為了保證結(jié)構(gòu)在地震力作用下的延性，新的《高規(guī)》和《抗震規(guī)范》對剪力墻的軸壓比均作了限制。需要指出的是，軟件是按單向計(jì)算短肢剪力墻的軸壓比時，與《高規(guī)》中規(guī)定按雙向計(jì)算短肢剪力墻的軸壓比有所不同。

3 結(jié)語

綜上所述，依據(jù)規(guī)范和整體計(jì)算結(jié)果，針對工程的具體情況，在設(shè)計(jì)中采取針對性技術(shù)措施對薄弱環(huán)節(jié)予以了加強(qiáng)，故此得出，工程結(jié)構(gòu)布置合理、技術(shù)可行，各項(xiàng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

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