淺談高層建筑結構設計的若干問題

毛華毅

隨著我國國民經濟不斷發展和人民生活的迅速提高,業主及建筑師的創新藝術使得鋼筋混凝土高層建筑發展被廣泛應用。高層建筑結構設計給工程設計人員提出了更高的要求,下面就結構設計中的問題進行探討。

1 結構選型

對于高層結構而言,在工程設計的結構選型階段,結構工程師應該注意以下幾點。

1.1 合理選擇結構體系

高層建筑結構平面布置應力求簡單、規則、對稱,避免應力集中的凹角和狹長的縮頸部位;避免在凹角和端部設置樓電梯間;避免樓電梯間位置偏置,以免產生扭轉的影響。

1.2 房屋的適用高度和高寬比

在抗震規范與高規中,對結構的總高度都有嚴格的限制,除了將原來的限制高度設定為A級高度的建筑外,增加了B級高度的建筑,因此,必須對結構的該項控制因素嚴格注意,一旦結構為B級高度建筑甚或超過了B級高度,其設計方法和處理措施將有較大的變化。

1.3 嵌固端的設置問題

由于高層建筑一般都帶有兩層或兩層以上的地下室和人防,嵌固端有可能設置在地下室頂板,也有可能設置在人防頂板等位置,因此,在這個問題上,結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面:抗震設計的多高層建筑,當地下室頂層作為上部結構的嵌固端時,地下一層的抗震等級應按上部結構采用,地下一層以下結構的抗震等級可根據具體情況采用三級或四級。地下室中超出上部主樓范圍且無地上結構的部分,其抗震等級可根據具體情況采用三級或四級。

1.4 短肢剪力墻的設置問題

短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻。近年興起的短肢剪力墻結構,雖然有利于住宅建筑布置,也可減輕結構自重,但在高層住宅中,剪力墻肢不宜太短,因為短肢剪力墻的抗震性能較差,地震區應用經驗不多,為安全起見,高層建筑結構不應采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結構。

2 地基與基礎設計

地基與基礎設計一直是結構工程師比較重視的方面,不僅僅由于該階段設計過程的好與壞將直接影響后期設計工作的進行,同時,也是因為地基基礎是整個工程造價的決定性因素,因此,在這一階段,所出現的問題也有可能更加嚴重甚至造成無法估量的損失。

高層建筑的基礎應選用整體性好,滿足地基承載力和建筑物容許變形的要求,并能調節不均勻沉降的基礎形式。高層建筑宜設置地下室以減小地基的附加應力和沉降量,有利于滿足天然地基的承載力和上部結構的整體穩定性。此外,在地基基礎設計中要注意地方性規范的重要性。

3 結構分析與計算

在結構分析與計算階段,如何準確、高效地對工程進行內力分析并按照規范要求進行設計和處理,是決定工程設計質量好壞的關鍵。

1)結構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,因此導致了各軟件的計算結果有或大或小的不同。

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。該部分內容實際上在新老規范中都有提及,只是,在新規范中根據大量工程的實測周期明確提出了各種結構體系下高層建筑結構計算自振周期折減系數。

3)振型數目是否足夠。在新規范中增加了一個振型參與系數的概念,并明確提出了該參數的限值。

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,而在計算分析該類型高層建筑時,是將結構作為一個整體并按多塔類型進行計算,還是將結構人為地分開進行計算,是結構工程師必須注意的問題。

4 抗震分析與設計在高層建筑的應用

在罕遇地震作用下,抗震結構都會部分進入塑性狀態。為了滿足大震作用下結構的功能要求,有必要研究和計算結構的彈塑性變形能力。當前國內外抗震設計的發展趨勢,是根據對結構在不同超越概率水平的地震作用下的性能或變形要求進行設計,結構彈塑性分析成為抗震設計的必要的組成部分。我國現行抗震規范GB 50011-2001要求高層建筑的抗震計算主要是在多遇地震作用下(小震),按反應譜理論計算地震作用。用彈性方法計算內力及位移。對于重要建筑或有特殊要求時,要用時程分析法補充計算,并進行罕遇地震作用下(大震)的變形驗算。

5 高層建筑結構設計應注意的問題

5.1 提倡節約

我國是發展中國家,還是要盡量提倡節約,目前我國規范中的構造要求,并非都比國外低,有的已經超過。國外大企業在北京買了按我國規范設計的大樓,說明我國規范不是進不了國際市場。現在對安全度進行討論,應注意不要引起誤導,千萬不要誤解提高建筑結構安全度建筑物就安全了,造成不必要的浪費。實踐已經證明,現行規范安全度是可以接受的。這是重要的經驗,不能輕易放棄。但考慮到客觀形勢變化,國家經濟實力增強和住宅制度改革現狀,可以將現行設計可靠度水平適當提高一點。這樣投入不大,卻對國家總體和長遠利益有利。

5.2 考慮受力性能

對于一個建筑物最初的方案設計,建筑師考慮更多的是它的空間組成特點,而不是詳細地確定它的具體結構。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩定和水平方向的穩定都是非常重要的。由于建筑物是由一些大而重的構件所組成的,因此結構必須能將它本身的重量傳至地面,結構的荷載總是向下作用于地面的,而建筑設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系,所以,在建筑設計的方案階段,就必須對主要的承重柱和承重墻的數量與分布作出總體設想。

5.3 提倡使用概念設計

所謂的概念設計一般指不經數值計算,尤其在一些難以作出精確理性分析或在規范中難以規定的問題中,依據整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想。從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法,可以在建筑設計的方案階段迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇,易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確,避免后期設計階段一些不必要的繁瑣運算,具有較好的經濟可靠性能。同時,也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。近十余年來我國的高層建筑建設可謂突飛猛進,其建設速度和建造數量在世界建筑史上都是少有的。但是,從設計質量方面來看卻不容樂觀,多數設計追趕流行時尚,因此在實際中應考慮長遠因素。

6 結語

目前新高規和新抗震規范的改進,對高層建筑結構設計的要求不斷地完善,作為工程設計人員必須充分地理解新規范軟件的編制原理,密切結合新規范和工程實際情況,不斷地提高工程設計水平。

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