關(guān)于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)研究

馬濤

（凱嘉建筑設(shè)計(jì)工程有限公司，廣東深圳 518000）

關(guān)于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)研究

馬濤

（凱嘉建筑設(shè)計(jì)工程有限公司，廣東深圳 518000）

最近幾年，建筑行業(yè)迎來了良好的發(fā)展契機(jī)，建筑技術(shù)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(yīng)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(yīng)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(diǎn)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(jìn)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(shè)計(jì)的建議，以期為業(yè)內(nèi)人士提供有益參考。

高層建筑 混凝土結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代建筑中，混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)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)。混凝土結(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(gè)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(yīng)用歷史，早在十九世紀(jì)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(jì)中期，前蘇聯(lián)在廠房項(xiàng)目建設(shè)中開始大量應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)。近些年來，以美國為首的西方發(fā)達(dá)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(jì)六十年代，我國廠房等項(xiàng)目建設(shè)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(yīng)用效果［1］。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有了更進(jìn)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(diǎn)

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(diǎn)：（1）理想的塑性和韌性。當(dāng)鋼筋混凝土受到外力破壞時(shí)，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(fù)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(dú)應(yīng)用；（3）良好的經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(shí)，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(jìn)行判定時(shí)，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(huì)發(fā)生位移，應(yīng)變能、外荷載勢能之和也就是整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所具有的總勢能，應(yīng)用能量原理，能夠計(jì)算出總勢能是極大值或者極小值，最終實(shí)現(xiàn)對體系平衡穩(wěn)定性的準(zhǔn)確判定；（2）靜力準(zhǔn)則，僅僅應(yīng)用于保守體系，運(yùn)用包括邊界條件在內(nèi)的相關(guān)條件構(gòu)建平衡方程，最終計(jì)算得到結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力；（3）動(dòng)力準(zhǔn)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(dòng)作用時(shí)，便會(huì)開始振動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)消失后，結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之停止振動(dòng)，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(shè)計(jì)方法

3.1 單元結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)的完善

對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，其核心內(nèi)容是所有單元結(jié)構(gòu)予以獨(dú)立設(shè)計(jì)。單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般情況下應(yīng)用于那些建筑結(jié)構(gòu)相對簡單且較為規(guī)則的平面設(shè)計(jì)，在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)關(guān)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(yīng)著均勻的承載力以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對豎向結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)用那些相對均勻以及規(guī)則的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)工作中，應(yīng)制定科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，立足于當(dāng)前的設(shè)計(jì)理念和成果，以最大限度地保證高層建筑的實(shí)用性以及安全性為基本前提，對混凝土結(jié)構(gòu)予以相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(qiáng)度分布和承載力分布［4］。

3.2 高強(qiáng)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(shè)計(jì)工作中，應(yīng)在保證高層建筑具有可靠質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對高強(qiáng)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(jìn)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(yùn)動(dòng)相對活躍的地區(qū)，那么對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)明確認(rèn)識(shí)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(qiáng)烈，所以有必要在保證高層建筑符合質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行一定的優(yōu)化，最大限度地減少鋼筋與混凝土的實(shí)際使用量，削弱振動(dòng)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(shè)計(jì)的合理化

以高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)為對象，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)特別關(guān)注剪力墻平面結(jié)構(gòu)布局問題，了解其給整個(gè)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(diǎn)來實(shí)現(xiàn)：首先，準(zhǔn)確把握高層建筑的基本結(jié)構(gòu)功能，并將其用作設(shè)計(jì)依據(jù)，最大限度地對剪力墻做集中化以及均勻化設(shè)計(jì)；其次，準(zhǔn)確把握高層建筑的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，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(shè)計(jì)

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(dāng)作有中等長細(xì)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(dǎo)致層間發(fā)生側(cè)向位移，從而使得整個(gè)樓層出現(xiàn)屈曲。在進(jìn)行近似計(jì)算時(shí)，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］：

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(jìn)行計(jì)算［6］：

上式中：crP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(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)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(yīng)采用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，同時(shí)結(jié)合長期作用產(chǎn)生影響予以驗(yàn)算，從而確保變形裂縫等一系列計(jì)算值不會(huì)超出規(guī)范給出的限制。對于研究性試驗(yàn)，其通常要收集三大參數(shù)，一是鋼筋、混凝土材料的實(shí)測強(qiáng)度，二是兩種材料的實(shí)際配筋率，三是結(jié)構(gòu)構(gòu)件所對應(yīng)的界面幾何尺寸實(shí)測值［7］。因此應(yīng)獲取結(jié)構(gòu)構(gòu)件的各項(xiàng)實(shí)際參數(shù)，然后使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合內(nèi)力計(jì)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(jì)算，并結(jié)合試驗(yàn)加載圖，基于該件的實(shí)際使用狀態(tài)提供的試驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)方法，基于結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際使用狀態(tài)所對應(yīng)的試驗(yàn)檢驗(yàn)值予以有效確認(rèn)。

4.3 設(shè)計(jì)中需要控制的指標(biāo)

4.3.1 剛度比

對于結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則控制而言，其關(guān)鍵指標(biāo)便是剛度比。關(guān)于剛度比，軟件和相關(guān)規(guī)范一共提供了三種不同的計(jì)算方式，一是剪彎剛度，二是剪切剛度，三是地震力同對應(yīng)的層間位移比。剪切剛度大多應(yīng)用于對底部為大空間的一層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行判斷。剪彎剛度大多應(yīng)用于對底部為大空間的多層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行判斷。該處所提及的樓層平均層間位移比，通常相當(dāng)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(shí)，其還是軟件進(jìn)行剛度比計(jì)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(yīng)的豎向規(guī)則性予以相應(yīng)控制，防止豎向剛度出現(xiàn)突變，導(dǎo)致薄弱層，一旦發(fā)現(xiàn)薄弱層，則應(yīng)予以必要加強(qiáng)。

4.3.2 軸壓比

基于抗震等級(jí)針對軸壓比限值做了相關(guān)規(guī)定。對框架柱的軸壓比進(jìn)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(qiáng)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(yùn)用和對結(jié)構(gòu)特性的有效控制，實(shí)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(dāng)增大剪力墻或者框架柱的截面尺寸、安裝芯柱以及借助復(fù)合箍筋等相關(guān)辦法予以解決。

4.3.3 剪重比

所謂剪重比指的是，某層對應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)對各樓層所對應(yīng)的最小地震剪力進(jìn)行合理控制，從而使得結(jié)構(gòu)可以承受住更為強(qiáng)烈的地震作用?，F(xiàn)行規(guī)范提供的振型分解反應(yīng)譜法無法對該值進(jìn)行精準(zhǔn)估計(jì)，為提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，有必要對兩大數(shù)值進(jìn)行限制，一個(gè)是結(jié)構(gòu)總水平地震剪力，另一個(gè)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(dòng)為主的第一自振周期之比。應(yīng)保證結(jié)構(gòu)平面布置具有足夠的規(guī)則性，避免因?yàn)檫^大偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)所謂的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；應(yīng)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(huì)給結(jié)構(gòu)帶來一定的負(fù)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(yīng)過大問題，這樣的結(jié)構(gòu)在地震作用下很容易受到嚴(yán)重破壞。當(dāng)周期比不滿足要求時(shí)，可通過下述方法進(jìn)行調(diào)整：對結(jié)構(gòu)中存在的不規(guī)則平面布置進(jìn)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(dāng)提高結(jié)構(gòu)的實(shí)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(dòng)，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(shí)，那么周期比很顯然無法滿足規(guī)范上的相關(guān)要求。

5 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的建議

“高層規(guī)定”針對各類結(jié)構(gòu)體系給出了相應(yīng)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(shè)計(jì)中關(guān)于剛重比的要求。特別是結(jié)構(gòu)水平荷載相對偏小時(shí)，雖然結(jié)構(gòu)剛度偏低，然而計(jì)算位移仍舊可以滿足位移限值要求。但在穩(wěn)定設(shè)計(jì)中，水平荷載不會(huì)對剛度控制產(chǎn)生影響。在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(yīng)得到理想控制，防止整個(gè)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(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)考慮P—△效應(yīng)的相關(guān)計(jì)算，通常借助非彈性P—△效應(yīng)分析法進(jìn)行分析和計(jì)算［8］。

6 結(jié)語

在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)重視和做好其穩(wěn)定設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求和使用要求。

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