鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的思考
2015-04-29 00:00:00張世平
1.概念設(shè)計
強調(diào)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的重要性，是要求建筑師和結(jié)構(gòu)師在建筑設(shè)計中應(yīng)特別重視規(guī)范、規(guī)程中有關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的各條規(guī)定，設(shè)計中不能陷入只憑計算的誤區(qū)。若結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不規(guī)則、整體性差，則僅按目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，難以保證結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)性能，尤其是抗震性能。概念設(shè)計要注重以下基本原則：
1.1結(jié)構(gòu)的簡單性
結(jié)構(gòu)簡單是指結(jié)構(gòu)在地震作用下具有直接和明確的傳力途徑，結(jié)構(gòu)的計算模型、內(nèi)力和位移分析以及限制薄弱部位出現(xiàn)都易于把握，對結(jié)構(gòu)抗震性能的估計也比較準(zhǔn)確。
1.2結(jié)構(gòu)的規(guī)則和均勻性
結(jié)構(gòu)的規(guī)則和均勻性是指沿建筑物豎向，建筑造型和結(jié)構(gòu)布置比較均勻，避免剛度、承載能力和傳力途徑突變，以限制結(jié)構(gòu)在豎向某一樓層或極少數(shù)幾個樓層出現(xiàn)敏感的薄弱部位；建筑平面比較規(guī)則，平面內(nèi)結(jié)構(gòu)布置比較均勻，使建筑物分布質(zhì)量產(chǎn)生的地震慣性力能以比較短和直接的途徑傳遞，并使質(zhì)量分布與結(jié)構(gòu)剛度分部協(xié)調(diào)，限制質(zhì)量與剛度之間的偏心。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(dāng)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(yán)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(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計階段工作的被動。
1.3結(jié)構(gòu)的剛度和抗震能力
水平地震作用是雙向的，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)能抵抗任意方向的地震作用，應(yīng)使結(jié)構(gòu)沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力；結(jié)構(gòu)剛度選擇時，雖可考慮場地特征，選擇結(jié)構(gòu)剛度以減少地震作用效應(yīng)，但是也要注意控制結(jié)構(gòu)變形的增犬，過大的變形將會因P-△效應(yīng)過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞；結(jié)構(gòu)除需要滿足水平方向剛度和抗震能力外，還應(yīng)具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)震動的能力。
1.4抗側(cè)力構(gòu)件的布置
在一個獨立的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，應(yīng)避免應(yīng)力集中的凹角和狹長的縮頸部位；避免在凹角和端部設(shè)置樓、電梯間；減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。豎向體型盡量避免外挑，內(nèi)收也不宜過多、過急，結(jié)構(gòu)剛度、承載力沿房屋高度方向不宜均勻、連續(xù)分布、避免造成結(jié)構(gòu)的軟弱或薄弱的部位。應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載力。根據(jù)具體情況，結(jié)構(gòu)單元之間應(yīng)遵守牢固連接或有效分離的方法。高層建筑鈉結(jié)構(gòu)單元應(yīng)采取加強連接的方法。
2.結(jié)構(gòu)選型
對于高層結(jié)構(gòu)而言，在工程設(shè)計的結(jié)構(gòu)選型階段，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該注意以下幾點：
2.1結(jié)構(gòu)體系的選擇
多高層結(jié)構(gòu)體系主要有框架結(jié)構(gòu)；剪力墻結(jié)構(gòu)，包括部分框支一剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。高層建筑有簡體結(jié)構(gòu)，包括框架一核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)；復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，包括帶加強層和剛臂的結(jié)構(gòu)、錯層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、多塔結(jié)構(gòu)等，多高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)房屋高度、高寬比、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場地類別、結(jié)構(gòu)材料和施工技術(shù)條件等因素，選擇適宜的結(jié)構(gòu)體系。
2.2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(yán)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(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為B級高度建筑或超過了B級高度，其設(shè)計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設(shè)計中，出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問題，導(dǎo)致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設(shè)計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。
2.3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。
2.4短肢剪力墻的設(shè)置問題
在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多郵制，因此，在高層建筑設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設(shè)計工作增加不必要的麻煩。
3.結(jié)構(gòu)計算與分析
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前高層建筑的結(jié)構(gòu)分析基本上都采用計算機軟件進行，但計算機軟件并不能完全代替設(shè)計人員的設(shè)計概念。電算前后，設(shè)計人員必須對軟件的計算原理及適用范圍有一個清晰的認(rèn)識。在結(jié)構(gòu)計算與分析階段，如何準(zhǔn)確，高效地對工程進行內(nèi)力分析并按照規(guī)范要求進行設(shè)計和處理，是決定工程設(shè)計質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。
3.1結(jié)構(gòu)整體計算的軟件選擇
目前比較通用的計算軟件有：SATWE、TAT、TBSA或ETABS、SAP等，但是，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，并從不同軟件相差較大的計算結(jié)果中，判斷哪個是合理的、哪個是可以作為參考的，哪個又是意義不大的，這將是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計工作中首要的工作。否則，如果選擇了不合適的計算軟件，不但會浪費大量的時間和精力，而且有可能使結(jié)構(gòu)有不安全的隱患存在。
3.2是否需要地震力放大，考慮建筑隔墻等對自振周期的影響
該部分內(nèi)容實際上在新老規(guī)范中都有提及，只是，在新規(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)。
3.3振型數(shù)目是否足夠
在新規(guī)范中增加一個振型參與系數(shù)的概念，并明確提出了該參數(shù)的限值。由于在舊規(guī)范設(shè)計中，并未提出振型參與系數(shù)的概念或即使有該概念，該參數(shù)的限值也未必一定符合新規(guī)范的要求，因此，在計算分析階段必須對計算結(jié)果中該參數(shù)的結(jié)果進行判斷，并決定是否要調(diào)整振型數(shù)目的取值。
3.4多塔之間各地震周期的互相干擾，是否需要分開計算
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。如果多塔間剛度相差較大，就有可能出現(xiàn)即使振型參與系數(shù)滿足要求，但是對某一座塔樓的地震力計算誤差仍然有可能較大，從而便結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。
3.5非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算與設(shè)計
在高層建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。對這部分內(nèi)容，尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件進行設(shè)計時，由于高層建筑的地震作用和風(fēng)荷載均較大，因此，必須嚴(yán)格按照新規(guī)范中增加的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算處理措施進行設(shè)計。
4.結(jié)束語
總之，鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個長期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過程，任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設(shè)計過程變得更加復(fù)雜或使設(shè)計結(jié)果存在不安全因素。以上僅是在設(shè)計過程中對問題一些淺薄的認(rèn)識。 [科]
