提高結構體系抗側移剛度研究在設計中的應用★

徐曉紅 左敬巖

0 引言

結構是建筑物的基本受力骨架,任何建筑都必須承受外部荷載作用、變形作用以及環境作用,結構失效將帶來生命和財產的巨大損失,因此在設計中對結構的基本要求是:可靠、適用、耐久以及在偶然事故中,當局部結構遭到破壞后,仍能保持結構的整體穩定性。也就是說,結構在設計要求的使用期內,在可能出現的荷載作用下要有足夠的承載能力,不產生傾覆或失穩,不產生過大的變形和裂縫,保證結構正常使用。對于前者設計人員很熟悉,也特別重視,而對于后者有時重視不夠。應指出結構變形問題也會影響房屋的正常使用,隨著建筑層數的增加,高強材料的應用,結構構件做的越來越小,結構抗側移剛度和結構頂點變形問題越來越突出,高層建筑結構設計時,結構頂點變形在設計中如何解決結構的剛度和側移問題將轉化為主要矛盾,應予足夠重視。由結構力學知識得到,在荷載不變情況下,要減小側移只有增大結構側移剛度。

1 房屋剛度的變化

下面我們討論一座小塔樓的幾種結構方案,研究如何提高結構剛度。

如圖1所示設塔樓平面尺寸相同,邊長均為 5.2m,結構截面面積均為4m2。

在不同方案時其剛度計算結果如表 1所示。

表1 結構方案剛度計算

2 方案比較

經過分析對比可見:

1)將小柱合并成大柱,可有效地提高抗側移剛度,這是結構中材料集中使用的原則;2)結構墻的平面內剛度要比柱大很多,利用結構墻可大大提高房屋的抗側移剛度;3)垂直荷載方向的墻在獨立工作時處于平面受彎狀態,其抗彎剛度與平面內抗彎剛度比小的可以忽略不計。然而,當組成整體箱形截面后,它是作為箱形截面的翼緣參加抗彎工作,內力臂很大,是箱形截面抗彎剛度的主要部分,大大提高了抗彎剛度;4)對比方案 3和方案 4,剛度相差 4倍,而實際差別僅在將四片獨立墻體聯系起來,使其整體共同工作,形成一個完整的箱形截面即筒體,截面變形符合平面假定。由此也可以看出墻體間連接構造的重要性,如果連接失敗,方案 4又會恢復為方案 3,抗彎剛度又降為1/4;5)若將方案 1的四柱加上剛性連梁使其共同工作(見圖2),形成方案5,其抗彎剛度比方案4還大;6)方案 5實際上是一榀帶剛性橫梁的單層框架,單層框架的抗側移剛度比獨立柱好得多,但柱子過高,受壓過程易失穩。我們可以增設中間橫梁,形成多層框架,如圖 3a)所示,以減少柱子的計算長度,防止失穩,形成方案 6;7)方案 6這種多層框架桿件內力以彎矩為主,而桿件的彎曲變形是比較大的。若在多層框架中加上交叉支撐,形成桁架體系,如圖 3b)所示,則構件內力以軸力為主,彎矩大大減小,可提高結構的抗側移剛度,形成方案 7;8)一座塔樓就像一根嵌固在地上的懸臂梁,在水平荷載作用下的彎矩圖近似為拋物線,而上方案抗側移結構確是平行弦桁架,很明顯,此桁架弦桿的底部內力較大,頂部內力較小,結構材料利用不合理。若在立面上把立柱的外形也做成拋物線形,則弦桿內力幾乎處處相同,結構就比較合理了,如圖3c)所示。

不難看出,這幾種方案先從平面上改進,再從立面上改進,在材料用料基本不變的情況下,結構剛度越來越大,受力更加合理。從以上分析再一次證明了法國巴黎埃菲爾鐵塔結構的合理性。隨著高層建筑高度的不同合理選擇結構方案是非常重要的。

3 工程應用

黑龍江省雞西市財政局辦公樓,建筑建于 1987年,建筑平面為一字形,層數為 10層,單側走廊,結構采用兩跨框架結構,框架柱為500mm×600mm,滿足設計要求,現要增加兩層,墻體用輕型填充材料,經計算在豎向荷載作用下,柱及基礎能滿足要求,但在水平荷載作用下變形不滿足要求,根據以上分析需增大結構的抗側移剛度,具體做法為在兩側第二、三開間處縱橫設兩道剪力墻,墻厚為 180mm,形成框架—剪力墻結構,增加了結構的抗側移剛度,經計算滿足要求。在施工時注意墻與柱的構造連接。

4 結語

從以上分析可得,未來高層建筑的發展,除了研發輕質高強的建筑材料,選擇合理的結構體型,力圖減小外荷載的作用,就是增加結構的抗側移剛度,減小結構的頂點變形。而后者更為有效。

從簡單的門式鋼架,到多層多跨的框架結構,增加了柱和橫梁,減小了結構的側移;在此基礎上設想同時增加內柱和橫梁的截面尺寸,最后洞口為零時就形成了實墻即剪力墻結構;若結構平面上是一個封閉的矩形,則結構墻就形成了筒體結構;如將框架梁柱截面大幅度加大,即把一棟樓高層框架結構劃分為很小幾層,就形成了巨型框架;如沿房屋周邊布置大型立柱和支撐,形成空間桁架,即成巨型桁架結構,增加結構的側移剛度,可減小結構的側向變形,合理的利用了建筑材料,從而能建更高的樓層,這就是未來高層建筑的發展趨勢。通過以上的分析研究還存在許多不足之處:

1)從概念設計的角度給出了結論,具體實施時,對不同的結構體系還需更近一步的研究;2)在維修加固增層改造中,新舊建筑的交接措施還要具體研究,以便與理論計算相吻合。

[1] 計學閏,王 力.結構概念和體系[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2] 李鴻晶,宗德玲.關于工程結構抗震設防標準的幾個問題的討論[J].防災減災工程學報,2003(8):68-91.

[3] 陳天虹,李家康,馬曉董.對“高層混凝土結構與抗震”課程教學問題的探討[J].浙江科技學院學報,2005(1):12-15.

[4] JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結構技術規范[S].