芻議高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

謝輝 裴斐

摘要：本文作者結(jié)合實際工作經(jīng)驗，通過結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及結(jié)構(gòu)布置等多個角度進行分析，提出了自己的看法。

關(guān)鍵詞：高層；混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著建筑造型和建筑功能要求日趨多樣化，不管是高層建筑還是民用建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有絕對最佳的標準模式，只有通過不斷地探索、比較，去尋求相對的最優(yōu)。因此，我們每一個行業(yè)工作這都應(yīng)不斷地追求盡善盡美的設(shè)計思想，不只盲目照搬規(guī)范和依賴計算機程序作設(shè)計，用自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計概念、經(jīng)驗、判斷力和創(chuàng)造力為業(yè)主和社會設(shè)計出更好的建筑。

1 關(guān)于結(jié)構(gòu)選型

1.1 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴重不規(guī)則的設(shè)計方案。”因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設(shè)計階段工作被動。

1.2 結(jié)構(gòu)的超高問題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設(shè)定為 A 級高度的建筑外，增加了 B 級高度的建筑，因此，必須對結(jié)構(gòu)的該項控制因素嚴格注意，一旦結(jié)構(gòu)為 B 級高度建筑甚或超過了B 級高度，其設(shè)計方法和處理措施將有較大的變化。

1.3 嵌固端的設(shè)置問題。由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設(shè)計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計算時嵌固端的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導(dǎo)致后期設(shè)計工作的大量修改或埋下安全隱患。

2 關(guān)于結(jié)構(gòu)布置

一個好的結(jié)構(gòu)設(shè)計首先應(yīng)做好結(jié)構(gòu)總體布置，高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計總體布置時，應(yīng)著重考慮以下幾個方面內(nèi)容：1）采用對抗震有利的建筑平面和立面、對抗震有利的結(jié)構(gòu)布置，即采用規(guī)則結(jié)構(gòu)，不應(yīng)采用嚴重不規(guī)則結(jié)構(gòu)。2）具有明確的計算簡圖，能夠采用明確的力學(xué)模型進行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析，得到符合實際得結(jié)果。3）具有合理的、直接的傳力途徑。作用在上部結(jié)構(gòu)的豎向力和水平力，能通過直接的、不間斷的傳力途徑傳遞到基礎(chǔ)，避免迂回。4）具有整體牢固性和盡量多的冗余度。結(jié)構(gòu)的整體牢固性和冗余度是結(jié)構(gòu)抗倒塌所必須的。部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞局部倒塌時，不應(yīng)導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的承載力喪失而引起整個結(jié)構(gòu)的倒塌。5）構(gòu)件與構(gòu)件之間、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間，或是牢固連接，或是徹底分離，避免似連接非連接、似分離非分離的不確定狀態(tài)。6）設(shè)置多道抗震防線。適當處理結(jié)構(gòu)單元承載能力的強弱關(guān)系和結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力的強弱關(guān)系，形成兩道或更多的抗震防線，是增強結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的重要措施。實現(xiàn)對抗震有利的結(jié)構(gòu)平面布置關(guān)鍵在于：1）剛度中心與質(zhì)量中心盡可能重合，減小地震對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)影響。2）增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，減小地震作用下的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。設(shè)計中應(yīng)注意：過于狹長的建筑，結(jié)構(gòu)自身的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)以及地震的扭轉(zhuǎn)作用對兩端結(jié)構(gòu)單元有較大的影響，有可能產(chǎn)生震害；兩端結(jié)構(gòu)單元的地震反應(yīng)相差大。對于鋼筋混凝土剪力墻或框架- 剪力墻等結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵是合理布置剪力墻：對稱布置剪力墻可以減小扭轉(zhuǎn)，將剪力墻圍成井筒或兩個方向的剪力墻互為端墻，可以增大剪力墻的抗扭剛度，將剪力墻設(shè)置在建筑的四周或靠近四周，可以增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。設(shè)計中還應(yīng)注意：建筑平面有長的外伸（如：L形、H形、Y形等）時，在地震作用下，外伸肢與主體結(jié)構(gòu)之間，或外伸肢之間出現(xiàn)相對運動，兩肢連接的角部應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生震害。一般處理方法為：設(shè)置抗震縫，或在滿足規(guī)范要求的前提下，加強角部應(yīng)力集中區(qū)的連接。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

①側(cè)向力（風(fēng)或水平地震作用）成為影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形及建筑物土建造價的主要因素。高層建筑和低層建筑一樣，承受自重、活載、雪載等垂直荷載和風(fēng)、地震等水平力。②結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜剛度。隨著高度的增加，高層建筑的側(cè)向位移迅速增大。因此設(shè)計高層建筑時，不僅要求結(jié)構(gòu)有足夠的強度，而且要求結(jié)構(gòu)有適宜的剛度，使結(jié)構(gòu)有合理的自振頻率等動力特性，并使水平力作用下的層位移控制在一定范圍之內(nèi)。③結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的延性。相對于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。建筑結(jié)構(gòu)的耐震主要取決于結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力兩個因素。

4 地基與基礎(chǔ)設(shè)計

在這一階段，所出現(xiàn)的問題也有可能更加嚴重甚至造成無法估量的損失。在地基基礎(chǔ)設(shè)計中要注意地方性規(guī)范的重要性問題。由于我國占地面積較廣，地質(zhì)條件相當復(fù)雜，《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》無法對全國各地的地基基礎(chǔ)都進行詳細的描述和規(guī)定，因此，作為建立在國家標準之下的地方標準。地方性的“地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范”能夠?qū)⒏鞯胤降牡鼗A(chǔ)類型和設(shè)計處理方法等一些成熟的經(jīng)驗描述和規(guī)定得更為詳細和準確。

5 結(jié)構(gòu)計算與分析

5.1 結(jié)構(gòu)整體計算的軟件選擇。由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異，因此導(dǎo)致了各軟件的計算結(jié)果有或大或小的不同。所以，在進行工程整體結(jié)構(gòu)計算和分析時必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件。對計算結(jié)果的合理性、可靠性進行判斷是十分必要的，是結(jié)構(gòu)工程師最主要的任務(wù)之一，這項工作要以結(jié)構(gòu)工程師的力學(xué)概念和豐富的工程經(jīng)驗為基礎(chǔ)。

5.2 結(jié)構(gòu)整體計算需控制的幾個參數(shù)。①剪重比：控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性。若過小，說明底部剪力過小，這時應(yīng)注意結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是否滿足要求。若過大，應(yīng)檢查輸入信息是否有誤或剪力墻過多結(jié)構(gòu)太剛。②剛度比：控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，避免產(chǎn)生剛度突變。③位移比：控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。④周期比：控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。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，A 級高度高層建筑不應(yīng)大于 0.9，B 級高度高層建筑不應(yīng)大于 0.85。反映的是抗扭剛度與抗側(cè)剛度之間的關(guān)系。⑤層間受剪承載力比：控制豎向不規(guī)則。

5.3 是否需要地震力放大，考慮建筑隔墻等對自振周期的影響。規(guī)范中根據(jù)大量工程的實測周期明確提出了各種結(jié)構(gòu)體系下高層建筑結(jié)構(gòu)計算自振周期折減系數(shù)，已列為強制性條文，需特別注意。

5.4 多塔結(jié)構(gòu)和分縫結(jié)構(gòu)的計算分析。一段時間以來，大底盤，多塔樓的高層建筑類型大量涌現(xiàn)，而在計算分析該類型高層建筑時，是將結(jié)構(gòu)作為一個整體并按多塔類型進行計算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開進行計算，是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問題。

6 結(jié)束語

高層混凝土結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，然而習(xí)慣性的傳統(tǒng)設(shè)計往往會給結(jié)構(gòu)工程師造成一種錯覺，以為結(jié)構(gòu)設(shè)計就是規(guī)范+計算機程序計算，忽略了對結(jié)構(gòu)整體方案的把握。一個合格的結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)具有清楚的結(jié)構(gòu)設(shè)計概念，豐富的實際經(jīng)驗，正確的判斷力，而規(guī)范和計算機程序只是實現(xiàn)設(shè)計的技術(shù)手段。一個結(jié)構(gòu)工程師在每一項設(shè)計開始時，就應(yīng)憑借自身擁有的對結(jié)構(gòu)體系及其受力、變形特性的整體概念和判斷力，用概念設(shè)計去幫助建筑師實現(xiàn)業(yè)主所需要的建筑空間。在設(shè)計過程中，利用自己的力學(xué)概念，通過合理、有效地不斷調(diào)整構(gòu)件設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度，提高經(jīng)濟效益及設(shè)計效率。

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