高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題分析

摘要:高層建筑越來越多，類型和功能也越來越復(fù)雜，使得高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計也越來越復(fù)雜，本文就結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些要注意的問題進(jìn)行分析，供大家參考。

關(guān)鍵詞:高層建筑結(jié)構(gòu) 剛度 剪重比

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和人民生活的迅速提高。業(yè)主及建筑師的創(chuàng)新藝術(shù)使得鋼筋混凝土高層建筑發(fā)展被廣泛應(yīng)用。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計給工程設(shè)計人員提出了更高的要求，下面就結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題進(jìn)行一些探討。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能

對于一個建筑物的最初的方案設(shè)計，建筑師考慮更多的是它的空問組成特點(diǎn)，而不是詳細(xì)地確定它的具體結(jié)構(gòu)。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構(gòu)件所組成，因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面，結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設(shè)計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系，所以，在建筑設(shè)計的方案階段，就必須對主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設(shè)想。

對于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計基本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計的控制因素，其原因有兩個:其一，較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒;其二，側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比，側(cè)向荷載對建筑物的效應(yīng)不是線性增加的，而隨建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有條件相同時，在風(fēng)荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側(cè)向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應(yīng)更加明顯。在高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，高層建筑的結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異。

2 建筑結(jié)構(gòu)的三心合一和扭轉(zhuǎn)

建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心，剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為我們常說的建筑三心。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要求建筑三心盡可能地匯合于一點(diǎn)，即所謂三心合一。建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題就是指在設(shè)計中一棟建筑物沒有做到三心合，在水平力作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)。由于水平力作用在高層建筑中起著控制作用，常有建筑物因扭轉(zhuǎn)振動而發(fā)生嚴(yán)重破壞。為避免建筑物因水平力作用而扭轉(zhuǎn)破壞，要求我們在設(shè)計時進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)選型和精心的平面布置，盡可能地使建筑物三心合一。

在水平荷載作用下，高層建筑扭轉(zhuǎn)作用的大小取決干質(zhì)量的分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕乃至避免結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動，最簡單而又行之有效的辦法是建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、橢圓形等簡單平面。

房屋建筑也是一門藝術(shù)，要追求平面和立面的表達(dá)效果。同時，由于城市規(guī)劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制，高層建筑不可能全部:采用簡單平面，當(dāng)要采用不規(guī)則L形、丁字形、星形、十字形等比較復(fù)雜的平面時，應(yīng)將凸出部分厚度與寬度的比值控制在一定范圍之內(nèi)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)進(jìn)行精細(xì)的作用反應(yīng)分析，以便取得確切的內(nèi)力和變形。

一座給定建筑平面形狀的高層建筑，不同的結(jié)構(gòu)布置其扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)也將是不同的。對稱結(jié)構(gòu)在水平力作用下一般僅發(fā)生平移振動，而非對稱結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)剛度中心偏于結(jié)構(gòu)平面中心的一側(cè)，在水平力作用下必然發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)，其結(jié)果是遠(yuǎn)離剛度中心，且剛度較小的構(gòu)件，由于側(cè)移和分擔(dān)的水平剪力均較大，較早地因變形過大或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足導(dǎo)致構(gòu)件破壞，甚至引發(fā)整個結(jié)構(gòu)破壞。因此，進(jìn)行給定建筑平面的結(jié)構(gòu)布置時一定要注意結(jié)構(gòu)剛度的對稱均衡，①豎簡剛度很大，位置要盡量居中對稱。②剪力墻為主要抗側(cè)力構(gòu)件，要分散均勻且盡量沿周邊布置。③作為荷載豎向考慮的填充墻的剛度也不能忽視。

另外。高層建筑的層數(shù)多，重心高，即使設(shè)計時已經(jīng)注意質(zhì)量和剛度的對稱布置，由于偶然偏心等原因，結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動也是可能的再者.地震也存在轉(zhuǎn)動分量，在地面轉(zhuǎn)動分量作用下，即使十分對稱的結(jié)構(gòu)也會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。尤其是建筑層數(shù)很多時，上部各層的剛度偏心造成扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對下層逐漸積累。對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響。因此，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而——上逐漸減小，變化均勻，連續(xù)，不要突變。

當(dāng)出現(xiàn)了豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)時，我們應(yīng)考慮多種因素的精確分析方法，最好進(jìn)行彈塑性時程分析，合理確定軟弱樓層的塑性集中變形，采取增大樓層結(jié)構(gòu)延性等措施，提高其變形能力。

同時，高層建筑的抗水平力構(gòu)件應(yīng)沿房屋周邊布置，以便能提供足夠大的扭轉(zhuǎn)力矩構(gòu)件沿周邊布置形成空間結(jié)構(gòu)后，也可提供較大的抗傾覆力矩。

3 位移限值、剪重比及單位面積重度

3.1 位移限值 在結(jié)構(gòu)整體計算的輸出結(jié)果中，結(jié)構(gòu)的側(cè)移(包括層間位移和頂點(diǎn)位移)是一個重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)值大小從一個側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)的整體剛度是否合適，過大或過小都說明結(jié)構(gòu)剛度過小或過大(或者體現(xiàn)結(jié)構(gòu)兩個主軸方向的剛度是否均衡)，以致要引起設(shè)計者對其中的結(jié)構(gòu)體系選擇、結(jié)構(gòu)的豎向及平面布置合理性的再思考。現(xiàn)行規(guī)范中將頂點(diǎn)位移與層間位移并重對待，經(jīng)實(shí)踐探索并參照國外經(jīng)驗(yàn)，得出的結(jié)論為:高層建筑尤其是超高層建筑，頂點(diǎn)位移限值決定的不僅是其數(shù)值大小而且還有其振動頻率，人的舒適感覺與振動頻率有關(guān)而與振動幅度(絕對位移)關(guān)系不大，即擺動頻率不太高時就可滿足人們的舒適度;其次，防止結(jié)構(gòu)由于變形過大而可能遭受損壞或破壞的控制因素是層間相對位移，而其限值在現(xiàn)行規(guī)范中似偏嚴(yán)，可予放松。同一結(jié)構(gòu)用不同的計算程序計算，如果其層間位移數(shù)值差異很大，則有可能是其“層間位移”內(nèi)涵不同所致，有的是指樓層形心位移，有的則專指考慮樓層轉(zhuǎn)動后的最大角點(diǎn)位移，后者通常比前者要大，形心位移對規(guī)則建筑有意義，而角點(diǎn)位移則更能反映結(jié)構(gòu)樓層的真實(shí)位移，因此角點(diǎn)位移是結(jié)構(gòu)工程師必須關(guān)注的一個數(shù)值。

3.2 剪重比及單位面積重度 結(jié)構(gòu)的剪重比(也即水平地震剪力系數(shù)) ≈=VEN/G是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下反應(yīng)大小的一個指標(biāo)，其大小主要與結(jié)構(gòu)地震設(shè)防烈度有關(guān)，其次與結(jié)構(gòu)體型有關(guān)，當(dāng)設(shè)防烈度為7、8、9度時，剪重比分別為0.012，0.024，0.040;扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯或基本周期<3.5s的結(jié)構(gòu)剪重比則分別ξ0.016，0.032，0.064。

單位面積重度≥0=G/A(KN/m2)是衡量結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面取值是否合理和樓層荷載數(shù)據(jù)輸入是否正確的一個重要指標(biāo)。式中的G由以下幾部分，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重、樓面建筑面層及天棚抹灰(或吊頂)重、填充墻(包括抹面層)重和樓面使用荷載組成;A則一般以地面以上的建筑面積總和計算，以便有一個相對準(zhǔn)確的比較標(biāo)準(zhǔn)。定性地分析比較r0值的大小，可得出以下結(jié)果，即一般內(nèi)部隔墻多的建筑(比如住宅)大于間隔墻少的建筑(比如敝開式辦公室);層數(shù)多的建筑略大于層數(shù)少的同性質(zhì)建筑;設(shè)防烈度高的建筑大于設(shè)防烈度低的同性質(zhì)同規(guī)模建筑;剪力墻多的建筑大于剪力墻少甚至僅為框架的建筑。一般高層建筑的單位面積重度在10～18kN/m2之間，除個別較特別的以外。多數(shù)在15kN/m2左右。

以上兩個指標(biāo)不僅在施工圖設(shè)計階段，而且在初步設(shè)計階段都是非常重要的數(shù)據(jù)，其數(shù)值正常與否從另一個側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)體系的選擇是否合適，結(jié)構(gòu)布置(包括構(gòu)件截面確定)是否合理，電算數(shù)據(jù)輸入是否正確，以及最后決定電算結(jié)果是否可信可用等，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計者對這兩個指標(biāo)切不可掉以輕心，更不可認(rèn)為是無關(guān)緊要的。

4 建筑結(jié)構(gòu)的軸壓比

軸壓比是指柱組合的軸力設(shè)計值Nc與柱的橫截面面積Ac和混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值fc乘積的比值。試驗(yàn)和震害表明:鋼筋混凝土柱的軸力過大，柱的延性將顯著變小，很容易發(fā)生脆性的剪切破壞，不符合強(qiáng)剪弱彎的概念設(shè)計原則。故軸壓比的控制，對保證其延性非常重要。我們應(yīng)采取提高柱混凝土的標(biāo)號及擴(kuò)大柱截面等措施縮小柱的軸壓比，提高結(jié)構(gòu)的延性。高層建筑軸壓比的控制范圍在《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與設(shè)計施工規(guī)程》中有專門的要求。

5 連梁設(shè)計

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》對連梁的剪力設(shè)計取值、剪壓比限制和截面尺寸都作了具體規(guī)定。在工程設(shè)計中，往往由于連粱的跨度較小，截面高度大，使連梁在地震作用下，經(jīng)內(nèi)力計算的彎矩和剪力很大，而難以滿足規(guī)范的要求;設(shè)計時可以根據(jù)不同情況采取下列措施。

5.1 根據(jù)《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》的規(guī)定，在內(nèi)力和位移計算時，其構(gòu)件可采用彈性剛度，在框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁剛度可予以折減。因此，處理連梁超筋或截面控制超過剪壓比的首要方法是選好剛度折減系數(shù)。在地震作用下，為了使連梁能吸收較多的能量，保證連梁有較好的延性，又能起到有效傳

遞彎矩和剪力的作用，剛度折減系數(shù)不應(yīng)小于0.55;在風(fēng)荷載作用下，為了使連梁在正常使用狀態(tài)下裂縫控制在一定的范圍內(nèi)， 剛度折減系數(shù)不應(yīng)小于0.80。

5.2 當(dāng)連梁剛度折減后，部分樓層的連梁仍然不滿足要求時，可采用內(nèi)調(diào)幅，調(diào)幅不宜超過20%。但應(yīng)滿足抗震設(shè)計強(qiáng)剪弱彎的要求，在滿足剪壓比限值的條件下，配置足夠的箍筋。

5.3 當(dāng)連梁超筋較多時，可采取下列措施:當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大、位移較小時，可適當(dāng)減小連梁的高度，使連粱的彎矩及剪力迅速減小。

高層建筑結(jié)構(gòu)受力情況和低層建筑有著截然不同的性質(zhì)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時側(cè)重點(diǎn)和低層建筑也不盡相同，需要特別注意結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、振動周期、軸壓比等若干問題。

6 結(jié)束語

目前新高規(guī)和新抗震規(guī)范的改進(jìn)。對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求不斷地完善，作為工程設(shè)計人員必須充分地理解新規(guī)范軟件的編制原理，密切結(jié)合新規(guī)范和工程實(shí)際情況，不斷地提高工程設(shè)計水平。

參考文獻(xiàn):

[1]李國勝.多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中疑難問題的處理及算例.中國建筑工業(yè)出版社.2004.