對某小高層建筑結構安全性與經濟性的分析

盧士強 蔡宏紅

1 概述

隨著房地產市場的迅猛發展,商品房成為大多數人們的選擇,安全性與經濟性之間更為合理的平衡點成為結構設計人員所面臨的重要問題之一,在滿足建筑使用功能的前提下,從結構布置入手,都更加關注其經濟性。

2 工程概況

本工程為一住宅樓,層高3 m,11層,總高33 m。總建筑面積約為 4 032 m2,兩單元并聯,乙類建筑,抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度為0.05g,Ⅱ類場地,設計地震分組第一組,剪力墻抗震等級三級,框架抗震等級四級。軟件運用PKPM-2005。其上部結構計算結果見表1。

表1 上部結構計算結果

3 計算結果分析

以下所述1框架—剪力墻用A代替,2框架—剪力墻用B代替。

1)周期比主要為控制結構的扭轉效應,減小扭轉對結構帶來的不利影響。周期比側重控制的是側向剛度與扭轉剛度之間的一種相對關系,而非其絕對大小,它的目的是使抗側力構件的平面布置更有效、更合理,使結構不至于出現過大(相對于側移)的扭轉效應。周期比控制不是在要求結構足夠結實,而是在要求結構承載布局的合理性。結構扭轉振型及周期是其扭轉剛度、扭轉慣量分布大小的綜合反映。任何情況下,當扭轉振型趨向于結構第一振型時,說明結構扭轉剛度小、轉動慣量大,扭轉振型成為主振型,對結構抗震抗風均不利,都是不允許的。2)位移比:指樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移角與本樓層平均值的比,位移比的大小反映了結構的扭轉效應,同周期比的概念一樣都是為了控制建筑的扭轉效應提出的控制參數。綜上兩條,分析結果得出A比B結構體系抗震抗風性能要好,但都滿足規范規定的限制。3)振型數是軟件在做抗震計算時考慮振型的數量。該值取值太小不能正確反映模型應當考慮的振型數量,使計算結果失真;取值太大,不僅浪費時間,還可能使計算結果發生畸變。必須指出的是,結構的振型組合數并不是越大越好,其最大值不能超過結構總自由度數。4)有效質量系數:如果計算時只取了幾個振型,那么這幾個振型的有效質量之和與總質量之比即為有效質量系數。用于判斷參與振型數足夠與否。兩種結構布置都選用相同的振型數,有效質量系數也比較接近。同時亦滿足規范要求。5)剪重比是抗震設計中非常重要的參數。規范之所以規定剪重比,主要是因為長期作用下,地震影響系數下降較快,由此計算出來的水平地震作用下的結構效應可能太小。而對于長周期結構,地震動態作用下的地面加速度和位移可能對結構具有更大的破壞作用,但采用振型分解法時無法對此作出準確的計算。因此,出于安全考慮,規范規定了各樓層水平地震力的最小值,該值如果不滿足要求,則說明結構有可能出現比較明顯的薄弱部位,必須進行調整。剪重比對6度區規范沒有做規定,在此僅供參考。6)剛度比是控制結構豎向不規則的重要指標,其目的是為了避免豎向剛度突變,形成薄弱層。7)剛重比:主要為控制結構的穩定性,以免結構產生滑移和傾覆。重力二階效應在建筑結構分析中指的是豎向荷載的側移效應。當結構發生水平位移時,豎向荷載就會出現垂直于變形后的結構豎向軸線的分量,這個分量將增大結構的水平位移量,同時也會增大相應的內力,這在本質上是一種幾何非線性效應。此兩種結構布置均沒有薄弱層,結果較接近,相差不大,均滿足規范。8)軸壓比:為了控制結構的延性,進行軸壓比的比較,軸壓比是指有地震作用組合柱的組合軸壓力設計值與柱的全截面面積和混凝土軸心受壓抗壓強度設計值乘積的比值,對軸壓比的控制主要因為它是影響柱子破壞形態和延性的主要因素之一。據于此,對抗震區的豎向構件進行軸壓比限制,從而更好地實現耗能機制,并使得柱不過早破壞,實現強柱弱梁,從而達到控制結構的延性。此項參數A要優于B,很明顯其延性要好很多,后者則剛滿足規范。9)由計算結果可以看出含鋼量A比B少1.5 kg/m3,每平方米混凝土用量A比B就多0.002 3 m3,以鋼材價格4 400元/t和C25混凝土價格380元/m3來算,A比B不但性能好,而且經濟性也要好。

4 結語

在商品房占主流的時代,經濟性越來越受到建設單位的注意,往往感性的認為在小高層甚至高層建筑中,只要框架柱多,就一定經濟性好,這不是很合理的,通過以上比較,至少可以說明,框架柱多,不一定經濟性好,剪力墻多,只要結構布置合理,它的經濟性不一定不好,建設單位在要求設計院有好的經濟性的時候,請參考設計人員的建議,最好不要感性的要求,設計人員會經過比較做出安全性和經濟性均比較合理的選擇。

[1] GB 50011-2001,建筑抗震設計規范[S].

[2] GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[3] GB 50009-2001,建筑結構荷載規范[S].

[4] 豐定國,王社良.抗震結構設計[M].武漢:武漢理工大學出版社,2003.

[5] JGJ 3-2002,高層建筑結構混凝土結構技術規程[S].