關于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設計研究

馬濤

【摘 要】 最近幾年，建筑行業(yè)迎來了良好的發(fā)展契機，建筑技術水平也隨之有了很大提高?；炷两Y(jié)構(gòu)憑借自身優(yōu)異性能得以廣泛應用，成了最常用的建筑結(jié)構(gòu)之一。隨著高層及超高層建筑中大跨徑混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應用，位移和變形等問題也偶有出現(xiàn)，所以混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性成了研究熱點之一。有鑒于此，本文基于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行研究，概述了混凝土結(jié)構(gòu)，介紹了穩(wěn)定性研究理論以及穩(wěn)定性的判定原則，最后提出了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設計的建議，以期為業(yè)內(nèi)人士提供有益參考。

【關鍵詞】 高層建筑 ?混凝土結(jié)構(gòu) ?穩(wěn)定設計

在現(xiàn)代建筑中，混凝土結(jié)構(gòu)的應用日益廣泛，成了最常用的建筑結(jié)構(gòu)之一。通常情況下，以鋼筋與混凝土為主要材料形成建筑結(jié)構(gòu)?；炷两Y(jié)構(gòu)雖然性能優(yōu)異，然而也存在一些亟待解決的問題，其中又以穩(wěn)定性問題最為突出。在一定條件下，混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性甚至決定了整個建筑工程的好壞。

1 混凝土結(jié)構(gòu)概述

1.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況

在建筑行業(yè)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了較長的應用歷史，早在十九世紀中期的歐洲，人們便開始使用該種結(jié)構(gòu)來修建鐵路橋梁的橋墩，到二十世紀中期，前蘇聯(lián)在廠房項目建設中開始大量應用這種結(jié)構(gòu)。近些年來，以美國為首的西方發(fā)達國家不斷推出新型的、高性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而我國則比較重視內(nèi)填充式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究。在二十世紀六十年代，我國廠房等項目建設中開始大量采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并取得了比較理想的應用效果[1]。隨著我國社會經(jīng)濟水平的不斷提高，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有了更進一步的發(fā)展，越來越多的高層建筑開始采用這種結(jié)構(gòu)。

1.2 鋼筋混凝土材料的特點

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，其以鋼和混凝土為主要構(gòu)成材料，主要發(fā)揮著承壓的作用，有如下特點：（1）理想的塑性和韌性。當鋼筋混凝土受到外力破壞時，能夠借助一定的塑性變形來抵御外力作用，如地震以及泥石流等。在沖擊負荷的影響下，其表現(xiàn)出理想的韌性;（2）承載力大。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有更為優(yōu)異的承壓性能，明顯超過鋼筋、混凝土單獨應用;（3）良好的經(jīng)濟效益。相較鋼結(jié)構(gòu)而言，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在相同受力以及自重條件下，能夠節(jié)約50%左右的鋼材;（4）優(yōu)異的抗火性;（5）施工方便。鋼筋混凝土很好地繼承了鋼筋的強度以及剛度，因而在工程中可發(fā)揮勁性骨架的作用，與此同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)對施工以及安裝工藝的有效簡化，從而大幅縮短工期[2]。

2 穩(wěn)定性的判定原則

對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行判定時，通常遵循下述原則：（1）能量原則，在保守體系中比較常見，即結(jié)構(gòu)體系在外力作用下會發(fā)生位移，應變能、外荷載勢能之和也就是整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所具有的總勢能，應用能量原理，能夠計算出總勢能是極大值或者極小值，最終實現(xiàn)對體系平衡穩(wěn)定性的準確判定;（2）靜力準則，僅僅應用于保守體系，運用包括邊界條件在內(nèi)的相關條件構(gòu)建平衡方程，最終計算得到結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力;（3）動力準則，僅僅適用于非保守體系，穩(wěn)定平衡結(jié)構(gòu)一旦受到一定擾動作用時，便會開始振動，當擾動消失后，結(jié)構(gòu)也會隨之停止振動，由此可斷定原平衡是穩(wěn)定的，如果不是，則表明原結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的[3]。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的具體設計方法

3.1 單元結(jié)構(gòu)布局設計的完善

對于高層建筑結(jié)構(gòu)設計而言，其核心內(nèi)容是所有單元結(jié)構(gòu)予以獨立設計。單元結(jié)構(gòu)設計一般情況下應用于那些建筑結(jié)構(gòu)相對簡單且較為規(guī)則的平面設計，在具體設計環(huán)節(jié)，應關注如何有效控制平面結(jié)構(gòu)中的整體長度，尤其是突出部分的長度，盡最大限度地保障所有結(jié)構(gòu)部分都對應著均勻的承載力以及結(jié)構(gòu)強度。對豎向結(jié)構(gòu)進行設計時，一般應用那些相對均勻以及規(guī)則的設計，如此一來，可以很好地解決建筑外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能存在的矛盾。

在單元結(jié)構(gòu)布局設計工作中，應制定科學嚴謹?shù)慕Y(jié)構(gòu)設計方案，立足于當前的設計理念和成果，以最大限度地保證高層建筑的實用性以及安全性為基本前提，對混凝土結(jié)構(gòu)予以相應的優(yōu)化設計，從而確保所有單位結(jié)構(gòu)無論在水平方向上，還是在豎直方向上，均具有合理的、均勻的結(jié)構(gòu)強度分布和承載力分布[4]。

3.2 高強混凝土和鋼筋使用的優(yōu)化

對于高層建筑而言，鋼筋和混凝土是其最主要的兩種施工原料，在設計工作中，應在保證高層建筑具有可靠質(zhì)量的基礎上，對高強度的鋼筋和混凝土予以必要的優(yōu)化，合理減少兩種建筑材料的使用量，從而進一步提升和保證對建筑資源的配置效率。如某高層建筑位于地殼運動相對活躍的地區(qū)，那么對其結(jié)構(gòu)進行設計時，相關人員應明確認識到，隨著高層建筑質(zhì)量的加大，地震施加給它的作用也就越強烈，所以有必要在保證高層建筑符合質(zhì)量要求的基礎上，對其進行一定的優(yōu)化，最大限度地減少鋼筋與混凝土的實際使用量，削弱振動作用效果，最終使高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性以及安全性，有效延長其服役期限。

3.3 剪力墻平面結(jié)構(gòu)設計的合理化

以高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)為對象，對其進行優(yōu)化設計時，還應特別關注剪力墻平面結(jié)構(gòu)布局問題，了解其給整個建筑結(jié)構(gòu)承載力分布帶來的影響。在優(yōu)化剪力墻平面結(jié)構(gòu)的過程中，一般通過以下兩點來實現(xiàn)：首先，準確把握高層建筑的基本結(jié)構(gòu)功能，并將其用作設計依據(jù)，最大限度地對剪力墻做集中化以及均勻化設計;其次，準確把握高層建筑的設計基準，對剪力墻采用雙向布置做法，從而最大限度地降低短肢剪力墻的使用頻率。

4 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設計

4.1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的臨界荷重

對于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)，可將其當作有中等長細比的懸臂桿，其高寬比通常在3～9之間。該懸臂桿可能出現(xiàn)的整體失穩(wěn)形態(tài)有三種，一是剪切型，二是彎曲型，三是彎剪型。對于純框架結(jié)構(gòu)而言，其出現(xiàn)的失穩(wěn)形態(tài)通常為剪切型;對于剪力墻結(jié)構(gòu)而言，其出現(xiàn)的失穩(wěn)形態(tài)通常為彎曲型或者彎剪型。

4.1.1 剪切型失穩(wěn)的臨界荷重

剪切型失穩(wěn)通常表現(xiàn)為整體樓層的失穩(wěn)，純框架的梁和柱由于雙曲率彎曲導致層間發(fā)生側(cè)向位移，從而使得整個樓層出現(xiàn)屈曲。在進行近似計算時，需要將柱子軸向變形帶來的影響排除在外，那么其臨界荷重為[5]：

上式中，指的是第i樓層的臨界荷重，Di指的是第i樓層的抗側(cè)剛度;hi指的是第i樓層的層高。

4.1.2 彎曲型和彎剪型失穩(wěn)的臨界荷重

對于彎曲型懸臂桿，其臨界荷重可通過歐拉公式進行計算[6]：

上式中：指的是施加在懸臂桿頂部的豎向臨界荷重;EJ指的是懸臂桿的彎曲剛度;H指的是懸臂桿的高度。彎曲型以及彎剪型懸臂桿各自的臨界荷重可共用下述近似計算公式：

4.2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的臨界荷重的確定

由混凝土設計規(guī)范的相關規(guī)定可知：如果是正常使用極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，那么應采用荷載效應的標準組合，同時結(jié)合長期作用產(chǎn)生影響予以驗算，從而確保變形裂縫等一系列計算值不會超出規(guī)范給出的限制。對于研究性試驗，其通常要收集三大參數(shù)，一是鋼筋、混凝土材料的實測強度，二是兩種材料的實際配筋率，三是結(jié)構(gòu)構(gòu)件所對應的界面幾何尺寸實測值[7]。因此應獲取結(jié)構(gòu)構(gòu)件的各項實際參數(shù)，然后使用極限狀態(tài)標準組合內(nèi)力計算值予以反向求解，接下來再按照結(jié)構(gòu)構(gòu)件控制界面上的該內(nèi)力予以計算，并結(jié)合試驗加載圖，基于該件的實際使用狀態(tài)提供的試驗荷載值予以確定。對于既有結(jié)構(gòu)而言，由于材料的截面幾何尺寸、強度大小、配筋等諸多參數(shù)均是已知的，因此可借助研究性試驗方法，基于結(jié)構(gòu)構(gòu)件實際使用狀態(tài)所對應的試驗檢驗值予以有效確認。

4.3 設計中需要控制的指標

4.3.1 剛度比

對于結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則控制而言，其關鍵指標便是剛度比。關于剛度比，軟件和相關規(guī)范一共提供了三種不同的計算方式，一是剪彎剛度，二是剪切剛度，三是地震力同對應的層間位移比。剪切剛度大多應用于對底部為大空間的一層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設計進行判斷。剪彎剛度大多應用于對底部為大空間的多層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設計進行判斷。該處所提及的樓層平均層間位移比，通常相當部分工程均是借助這一數(shù)值對混凝土結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性予以判定，與此同時，其還是軟件進行剛度比計算過程中的一種常見缺省方式。主要是針對結(jié)構(gòu)所對應的豎向規(guī)則性予以相應控制，防止豎向剛度出現(xiàn)突變，導致薄弱層，一旦發(fā)現(xiàn)薄弱層，則應予以必要加強。

4.3.2 軸壓比

基于抗震等級針對軸壓比限值做了相關規(guī)定。對框架柱的軸壓比進行限制，是為了賦予框架良好的抗倒塌能力，使柱具有足夠的塑性變形能力，避免柱受地震力影響而發(fā)生脆性破壞，最大限度地使框架柱表現(xiàn)為大偏心受壓破壞。要求剪力墻肢底部的塑性鉸區(qū)具有足夠的耗能能力以及良好的延性性能，如此一來，能夠避免豎向荷載承載能力受強烈地震影響而減弱，繼而誘發(fā)墻體被壓潰問題。通過構(gòu)造措施的運用和對結(jié)構(gòu)特性的有效控制，實現(xiàn)對該值的間接限制。如果軸壓比未得到滿足，那么可通過適當增大剪力墻或者框架柱的截面尺寸、安裝芯柱以及借助復合箍筋等相關辦法予以解決。

4.3.3 剪重比

所謂剪重比指的是，某層對應于水平地震作用標準值的樓層剪力與該層及其上各層重力荷載代表值之和的比值。應對各樓層所對應的最小地震剪力進行合理控制，從而使得結(jié)構(gòu)可以承受住更為強烈的地震作用。現(xiàn)行規(guī)范提供的振型分解反應譜法無法對該值進行精準估計，為提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，有必要對兩大數(shù)值進行限制，一個是結(jié)構(gòu)總水平地震剪力，另一個是各樓層水平地震剪力最小值。

4.3.4 周期比

所謂周期比指的是，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。應保證結(jié)構(gòu)平面布置具有足夠的規(guī)則性，避免因為過大偏心而導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)所謂的扭轉(zhuǎn)效應;應保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗扭剛度，假若扭轉(zhuǎn)剛度過小，則會給結(jié)構(gòu)帶來一定的負面影響。若周期比不能滿足要求，則提示結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度沒有側(cè)移剛度大，存在扭轉(zhuǎn)效應過大問題，這樣的結(jié)構(gòu)在地震作用下很容易受到嚴重破壞。當周期比不滿足要求時，可通過下述方法進行調(diào)整：對結(jié)構(gòu)中存在的不規(guī)則平面布置進行優(yōu)化調(diào)整，讓結(jié)構(gòu)剛度中心盡可能地靠近質(zhì)量中心，甚至完全重合;適當提高結(jié)構(gòu)的實際扭轉(zhuǎn)剛度。在SATWE程序中，所采用的振型是基于周期的長短予以排序的，結(jié)構(gòu)的第一、第二振型最好能夠保持平動，而扭轉(zhuǎn)周期最好能夠位于第三振型或者更為高階的振型。假若第一振型便是扭轉(zhuǎn)時，那么周期比很顯然無法滿足規(guī)范上的相關要求。

5 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設計的建議

“高層規(guī)定”針對各類結(jié)構(gòu)體系給出了相應的位移限值，旨在有效控制結(jié)構(gòu)剛度，避免結(jié)構(gòu)剛度過弱。但是結(jié)構(gòu)符合位移限值要求，并不意味著就能夠滿足穩(wěn)定設計中關于剛重比的要求。特別是結(jié)構(gòu)水平荷載相對偏小時，雖然結(jié)構(gòu)剛度偏低，然而計算位移仍舊可以滿足位移限值要求。但在穩(wěn)定設計中，水平荷載不會對剛度控制產(chǎn)生影響。在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設計時，應充分參考地震帶來的影響，保證結(jié)構(gòu)在地震影響下的P-△效應得到理想控制，防止整個結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)倒塌。對罕遇地震影響下出現(xiàn)的薄弱層彈塑性變形問題進行分析時，應考慮P—△效應的相關計算，通常借助非彈性P—△效應分析法進行分析和計算[8]。

6 結(jié)語

在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計中，應重視和做好其穩(wěn)定設計工作，總結(jié)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)原因，并予以針對性解決，從而保證高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足設計要求和使用要求。

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