鋼筋混凝土高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與思考

侯 小 紅

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原　030013)

?

鋼筋混凝土高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與思考

侯 小 紅

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原030013)

介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)方案的選擇原則，闡述了高層建筑超限判定及結(jié)構(gòu)計(jì)算的方法，并從樓板應(yīng)力集中、板裂縫、大跨度和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，分析了高層建筑設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的問(wèn)題，以供參考。

高層建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，樓板，應(yīng)力

0　引言

在社會(huì)發(fā)展的漫漫長(zhǎng)河中，建筑技術(shù)的變革日新月異。而在各個(gè)不同的歷史時(shí)期，結(jié)構(gòu)技術(shù)在建筑發(fā)展中的作用十分重要，影響了建筑發(fā)展的歷史文化價(jià)值。近些年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，現(xiàn)代建筑作為人們工作、生活的重要場(chǎng)所，不但要滿(mǎn)足實(shí)用性，更要具有地區(qū)性和多樣性的特征。這就對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。同時(shí)，隨著高層建筑的日益增多，不規(guī)則平面、建筑特殊的立面造型以及大空間的使用要求，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)論在抗震構(gòu)件的布局、結(jié)構(gòu)分析、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方面都面臨著諸多挑戰(zhàn)和創(chuàng)新。而鋼筋混凝土高層建筑作為最常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)形式，如何在滿(mǎn)足安全適用、經(jīng)濟(jì)合理的基本原則下優(yōu)化計(jì)算，精益求精是一個(gè)值得探討和思考的話(huà)題。

1　結(jié)構(gòu)方案的選擇

高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)根據(jù)建筑的不同使用功能、房屋荷載、層數(shù)、高度、跨度，同時(shí)考慮建筑物所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度，建筑工程抗震設(shè)計(jì)的設(shè)防類(lèi)別和相應(yīng)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)確定。目前高層建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)體系有框架、框架—剪力墻、剪力墻、框架—核心筒、底部帶有轉(zhuǎn)換的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)等。根據(jù)建筑專(zhuān)業(yè)提供的設(shè)計(jì)方案與技術(shù)條件，在盡量滿(mǎn)足使用功能的前提下，與建筑和設(shè)備專(zhuān)業(yè)充分溝通，仔細(xì)推敲，合理布置抗側(cè)力構(gòu)件，選擇適用的結(jié)構(gòu)體系，使結(jié)構(gòu)具有合理的剛度和承載能力，避免產(chǎn)生軟弱層或薄弱層。隨著高層建筑的不斷增多，概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)方案的選擇與確定中的作用越來(lái)越重要。這就要求結(jié)構(gòu)工程師具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，掌握相應(yīng)的法律法規(guī)、施工技術(shù)，收集分析資料，對(duì)建筑工程進(jìn)行宏觀控制，在特定的建筑空間中，用整體的概念完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)方案的選擇會(huì)直接影響到房屋的造價(jià)高低、施工的進(jìn)展速度。

2　超限高層建筑界定

在高層建筑方案和初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)超限類(lèi)型的準(zhǔn)確判別，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)安全的前提條件。所以在拿到建筑方案的第一步，應(yīng)該仔細(xì)研究現(xiàn)行規(guī)范的適用范圍，針對(duì)不同方面對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行仔細(xì)核對(duì)，分析研究本結(jié)構(gòu)工程是否為超限工程。結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中，這一步至關(guān)重要，否則不但會(huì)耽誤設(shè)計(jì)工期，還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成嚴(yán)重影響。

判斷超限高層建筑工程主要有以下幾個(gè)方面：

1)對(duì)于不同抗震設(shè)防烈度、不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)體系，規(guī)范規(guī)定了房屋的最大適用高度，超過(guò)此高度則屬超限。這一類(lèi)超限判別時(shí)應(yīng)注意，平面和豎向均不規(guī)則的，適用高度宜適當(dāng)降低，同時(shí)應(yīng)考慮房屋的抗震設(shè)防類(lèi)別。

2)房屋高度在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，但建筑結(jié)構(gòu)布置屬于特別不規(guī)則的高層建筑：

a.扭轉(zhuǎn)不規(guī)則或抗扭剛度弱。考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.4(扭轉(zhuǎn)偏大)或大于1.2(扭轉(zhuǎn)不規(guī)則)，扭轉(zhuǎn)周期比大于0.9(B級(jí)高度)或大于0.8(A級(jí)高度)。

b.平面不規(guī)則。平面凹凸尺寸與相應(yīng)尺寸比值超限，細(xì)腰形或角部重疊形。

c.豎向不規(guī)則。豎向構(gòu)件收進(jìn)尺寸過(guò)大或外挑尺寸大于限值要求。

d.樓板不連續(xù)。樓板開(kāi)洞面積過(guò)大，有效樓板寬度過(guò)小或樓板錯(cuò)層大于梁高。

e.局部的穿層柱、斜柱、夾層，個(gè)別構(gòu)件錯(cuò)層或轉(zhuǎn)換。

3)特殊類(lèi)型的高層建筑：

a.加層結(jié)構(gòu)。加層部分的結(jié)構(gòu)與原主體結(jié)構(gòu)形式不同。

b.采用新型結(jié)構(gòu)材料或新型抗震體系。

c.規(guī)范中未列入的其他高層建筑結(jié)構(gòu)，特殊形式的大型公共建筑及懸挑結(jié)構(gòu)，特大跨度的連體結(jié)構(gòu)等。

3　結(jié)構(gòu)計(jì)算及變形分析

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于高度小于40 m，且質(zhì)量、剛度沿高度分布比較均勻，以剪切變形為主的結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。先確定結(jié)構(gòu)總地震力，然后按照高度呈倒三角形分布特征進(jìn)行各樓層分配，同時(shí)在頂部增加附加集中力，考慮頂部鞭梢效應(yīng)。

隨著反應(yīng)譜理論的不斷成熟，大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)體系采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算。考慮不同振型在地震反應(yīng)中的參與程度，先確定在各質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，再綜合計(jì)算整體水平地震作用效應(yīng)；同時(shí)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響，確定各振型在兩水平方向和轉(zhuǎn)角方向的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值。

同時(shí)，對(duì)于特別不規(guī)則的建筑、甲類(lèi)建筑和一些特殊高度的高層建筑，采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。根據(jù)時(shí)程分析和振型分解反應(yīng)譜法的不同結(jié)果，對(duì)比分析后進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)抗震變形驗(yàn)算分兩階段進(jìn)行：第一階段是多遇地震下的承載力驗(yàn)算，主體結(jié)構(gòu)不受損，保證建筑物正常使用功能。此階段以彈性變形為主，保證結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不開(kāi)裂或開(kāi)裂不明顯；第二階段是罕遇地震作用下建筑主體結(jié)構(gòu)遭遇破壞，但不倒塌。此階段以彈塑性變形為主，根據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)分析提出了極限變形時(shí)的層間極限位移角，防止薄弱層彈塑性變形過(guò)大引起結(jié)構(gòu)倒塌。

4　高層建筑設(shè)計(jì)中常見(jiàn)問(wèn)題解析

4.1樓板應(yīng)力集中問(wèn)題

建筑結(jié)構(gòu)中樓板作為水平抗側(cè)力體系，在承受和傳遞豎向力作用的同時(shí)，把水平力傳遞和分配給豎向抗側(cè)力構(gòu)件，協(xié)調(diào)同一樓層中豎向構(gòu)件的變形，使建筑物形成一個(gè)完整的抗側(cè)力體系。建筑平面布置中，由于存在凹凸布置，樓板尺寸和剛度的急劇變化都可能在角點(diǎn)局部位置及樓層凹角處產(chǎn)生應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)提高此區(qū)域剛度，適當(dāng)增加樓板厚度及配筋率，樓板配筋雙層雙向拉通布置。

4.2板裂縫及撓度問(wèn)題

近年來(lái)高層建筑設(shè)計(jì)中，由于使用功能的要求，大跨度板越來(lái)越多。同時(shí)隨著地板采暖的不斷普及，上部荷載增加，對(duì)板裂縫和撓度要求日益提高。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，雖然現(xiàn)澆板承載力均能滿(mǎn)足要求，但是使用中大跨度板往往是由裂縫和撓度控制，所以，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意對(duì)大跨度板的變形驗(yàn)算。滿(mǎn)足強(qiáng)度計(jì)算的情況下盡量采用中低強(qiáng)度混凝土，在易裂的邊緣部位設(shè)置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限拉伸，同時(shí)在屋面板頂部增設(shè)溫度鋼筋。

4.3大跨度和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

抗震設(shè)防烈度8度、9度時(shí)的大跨度和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)應(yīng)計(jì)算豎向地震作用。由于大跨度、長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)對(duì)豎向地震較為敏感，僅僅考慮水平地震作用存在一定的安全隱患。所以，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠的重視，盡量選用高強(qiáng)度混凝土，增大配筋率，嚴(yán)格控制構(gòu)件裂縫和撓度。在滿(mǎn)足使用功能的前提下，可采用勁性混凝土和輕鋼結(jié)構(gòu)，并加強(qiáng)周邊的連接構(gòu)造，有效提高整體結(jié)構(gòu)的承載力和延性。

5　結(jié)語(yǔ)

鋼筋混凝土高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜、系統(tǒng)的工程。工程設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)把規(guī)范、規(guī)程，并深刻理解，同時(shí)要靈活運(yùn)用，善于創(chuàng)新，在工作中精益求精，不斷總結(jié)和反思，使建筑工程達(dá)到安全適用、經(jīng)濟(jì)合理，實(shí)現(xiàn)房屋建筑工程的科學(xué)化發(fā)展。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]建質(zhì)[2015]67號(hào)，超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)[S].

Structural design and consideration of steel reinforced concrete high-rise building

Hou Xiaohong

(ShanxiAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030013,China)

The paper introduces high-rise building structure scheme selecting principles, describes high-rise building transfinite judgement and structural calculation methods, and analyzes common high-rise building design problems from aspects of floor stress concentration, slab cracks and large-span and long-cantilever structure design, with a view to provide some guidance.

high-rise building, structural design, floor, stress

1009-6825(2016)23-0036-02

2016-06-07

侯小紅(1973- ),男，碩士，高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師

TU973

A