我國城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的常見問題探討

李敏

摘 要：就高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題，提出一些看法及處理措施，希望能對我們以后的工作產(chǎn)生幫助，使設(shè)計水準(zhǔn)更上一層樓。

關(guān)鍵詞：高層住宅；結(jié)構(gòu)體系；控制參數(shù)

如何設(shè)計出舒適、安全同時又符合人們精神生活要求且經(jīng)濟(jì)實用民用建筑以適應(yīng)建筑市場的變化，滿足消費(fèi)者們的需求，成為設(shè)計師們要面對解決的首要問題。結(jié)合多年的設(shè)計實踐經(jīng)驗對高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中常出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系介紹

目前高層建筑基本上都是采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)等，其中在高層住宅建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)使用較多。

1.1 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，作為豎向承重和抵抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通常采用平面布置形式，由于剪力墻受豎向荷載和水平荷載共同作用，剪力墻應(yīng)雙向或多向布置。由于該結(jié)構(gòu)全部由剪力墻組成，其剛度比框架剪力墻結(jié)構(gòu)更好。該結(jié)構(gòu)高寬比不宜大于6，其高度應(yīng)考慮抗震要求。

1.2 框架剪力墻結(jié)構(gòu)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)是由框架和剪力墻組合而成的結(jié)構(gòu)體系。其中剪力墻承受絕大部分水平荷載，框架承受豎向荷載，兩者共同受力，合理分工。剪力墻應(yīng)均勻布置在建筑物的周邊、電梯間、平面形狀變化較大和豎向荷載較大等部位。由于該結(jié)構(gòu)以框架結(jié)構(gòu)為主，剪力墻為輔助，因此，該結(jié)構(gòu)體系適用于 25 層以下的建筑，最高不宜大于30 層。

2 高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制參數(shù)與應(yīng)用

2.1 軸壓比：限制結(jié)構(gòu)的軸壓比，以保證結(jié)構(gòu)的延性要求。當(dāng)不滿足規(guī)范要求時可以通過增大該墻、柱截面或提高該樓層墻、柱混凝土強(qiáng)度的辦法調(diào)整。

2.2 剪重比：限制各樓層的最小水平地震剪力，確保周期較長的結(jié)構(gòu)的安全。當(dāng)偏小且與規(guī)范限值相差較大時，可通過增強(qiáng)豎向構(gòu)件，加強(qiáng)墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度的辦法調(diào)整。

2.3 剛重比：規(guī)范上限主要用于確定重力荷載在水平作用位移效應(yīng)引起的二階效應(yīng)是否可以忽略不計。當(dāng)不滿足規(guī)范下限要求時，可以通過調(diào)整增強(qiáng)豎向構(gòu)件，加強(qiáng)墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度的辦法調(diào)整。

2.4 層間位移角：限制結(jié)構(gòu)在正常使用條件下的水平位移，確保高層結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的剛度，避免產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和使用要求。當(dāng)不滿足規(guī)范要求時，只能通過調(diào)整增強(qiáng)豎向構(gòu)件，加強(qiáng)墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度的辦法調(diào)整。

2.5層間位移比：限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，以避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。當(dāng)不滿足規(guī)范要求時，可以改變結(jié)構(gòu)平面布置，減小結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心的偏心距達(dá)到規(guī)范要求。當(dāng)層間位移比接近規(guī)范限值時，在滿足建筑功能要求下適當(dāng)增加梁的高度，也可以達(dá)到調(diào)整位移的作用。

2.6周期比：限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，使結(jié)構(gòu)具有必要的抗扭剛度，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。當(dāng)周期比接近規(guī)范限值時，在滿足建筑功能要求下，適當(dāng)增加房屋外圍周邊梁的高度對周期比的貢獻(xiàn)也是很大的。當(dāng)不滿足規(guī)范要求時，只能通過調(diào)整改變結(jié)構(gòu)布置，提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

3 框架計算簡圖的處理

無地下室的框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋深較深時。為了加強(qiáng)底層的整體性，可以在 0.00m附近設(shè)置基礎(chǔ)連系梁。由于基礎(chǔ)連系梁的設(shè)計僅為構(gòu)造設(shè)計，無法平衡底部柱腳的彎矩，更不能夠作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部分，底層計算高度H 顯然不能取用基礎(chǔ)連系梁頂面到一層樓蓋頂面的高度。正確的設(shè)計是：柱的 H 值取用基礎(chǔ)頂面至連系梁頂面的高度，也就是把基礎(chǔ)連系梁以下的部分看作底層，而把實際建筑的底層作為第二層計算，層高取用連系梁頂層至一層樓面的高度。當(dāng)采用這樣確定計算簡圖時，應(yīng)注意底層柱的配筋應(yīng)取用基礎(chǔ)連系梁頂面和基礎(chǔ)頂面中較大內(nèi)力設(shè)計值進(jìn)行計算。

帶有地下室的框架結(jié)構(gòu)，合理確定上部結(jié)構(gòu)的嵌固位置是非常關(guān)鍵的。而《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》都沒有明確提出具體位置，需要我們根據(jù)工程的實際情況來分析。采用箱型基礎(chǔ)或者能夠滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的地下室結(jié)構(gòu)時，可以將地下室頂作為框架上部結(jié)構(gòu)的嵌固位置。在利用 PKPM進(jìn)行設(shè)計時，樓層總數(shù)僅輸入地下室以上的實際層數(shù)，底層的實際層高就是層高H。這樣設(shè)計的地震作用和實際情況較為接近，但是豎向荷載的計算僅計算到底層的柱底處。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)是采用的筏板基礎(chǔ)，嵌固位置最好取在基礎(chǔ)頂面。在利用電算時，總層數(shù)應(yīng)為實際的樓層數(shù)加上地下室的層數(shù)。如當(dāng)建筑地上 6 層時，地下 2 層時，總層數(shù)取 8層。按此確定的計算簡圖經(jīng)整體計算后，地震作用相對保守，結(jié)構(gòu)設(shè)計比較安全。

4 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)的選取

4.1 地震力的振型組合數(shù)

地震力的振型組合數(shù)，對高層建筑，當(dāng)不考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算時，至少應(yīng)取 3，當(dāng)振型系數(shù)多于 3 時，宜取 3 的倍數(shù)，但不應(yīng)多于房屋的層數(shù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》指出，合適的振型個數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的 90%所需的振型數(shù)。SATWE 已有這種功能，可以很方便地輸出這種參與質(zhì)量的比值。此外，由于耦聯(lián)計算的地震剪力通常小于非耦聯(lián)計算，僅結(jié)構(gòu)存在明顯扭轉(zhuǎn)時才采用耦聯(lián)計算，但在必要時應(yīng)補(bǔ)充非耦聯(lián)計算。

4.2 框架結(jié)構(gòu)活荷載的最不利布置、組合

當(dāng)活荷載較大時，是否進(jìn)行活荷載的最不利布置、組合對計算結(jié)果的影響非常大。使程序給定的梁設(shè)計彎矩放大系數(shù)，也不一定能反映出工程實際應(yīng)力分布的情況，有可能造成結(jié)構(gòu)不安全或保守。應(yīng)注意的是 PKPM中無法區(qū)分荷載規(guī)范，因此很難實現(xiàn)“荷載規(guī)范”區(qū)分荷載種類和樓面荷載折減系數(shù)的要求，程序中不區(qū)分不同的樓面活荷載類型，即活載大于4.0KN/m2，或小于4.0KN/m2，一般均按樓面活荷載類型考慮并取相應(yīng)的折減系數(shù)，PKPM計算程序?qū)敲婊詈奢d的折減是不全面的，使用 PKPM計算時，應(yīng)考慮區(qū)分不同構(gòu)件進(jìn)行分步計算，并在荷載輸入時將樓面活荷載折減。風(fēng)荷載體型系數(shù)的選取應(yīng)注意，當(dāng)多個建筑物，特別是群集的高層建筑，相互間距較近時，宜考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)；一般可將單獨建筑物的體型系數(shù)乘以相互干擾增大系數(shù)，該系數(shù)可參考類似條件的試驗資料確定；必要時宜通過風(fēng)洞試驗得出。

5 結(jié)論

結(jié)合筆者多年從事高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作經(jīng)驗，通過對高層建筑結(jié)構(gòu)體系的介紹，同時結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)規(guī)范，說明了高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中一些控制參數(shù)的使用，如軸壓比、位移比、剛度比等的作用及調(diào)整方法。最后以框架為例，概述在電算中計算參數(shù)的選擇，重點介紹了框架結(jié)構(gòu)活荷載的最不利布置、組合，指出了在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的一些問題，以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)確性、安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。提出的措施可為相關(guān)人員參考。

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