高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干問(wèn)題的思考

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，建筑行業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，為節(jié)約土地資源，高層建筑工數(shù)量越來(lái)越多，大體量、超高層單體建筑或群體建筑大量的出現(xiàn)，對(duì)工程設(shè)計(jì)人員的專業(yè)知識(shí)的要求越來(lái)越高，不僅要正確的理解規(guī)范內(nèi)容，更要掌握好結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的計(jì)算原理，因此，在文章主要對(duì)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討，以引起工程設(shè)計(jì)人員的重視。

關(guān)鍵詞：高層結(jié)構(gòu)；嵌固端；地下室剪力墻；結(jié)構(gòu)計(jì)算

1 高層建筑大底盤地下室及多塔建筑對(duì)高層主體結(jié)構(gòu)嵌固端的影響

現(xiàn)代建筑綜合功能越來(lái)越復(fù)雜，為了達(dá)到一個(gè)較好的使用功效及工程性價(jià)比指標(biāo)，一般均在建筑物底部及附帶一部分區(qū)域來(lái)設(shè)置地下室，由于各種功能的需要，形成上部主體結(jié)構(gòu)與周邊地下室形成整體結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中不僅要關(guān)注主體結(jié)構(gòu)對(duì)附屬地下室影響，更要注意附屬地下室對(duì)高層影響。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010，對(duì)于6.1.3條2款對(duì)高層裙房的要求，“裙房與主樓相連，除應(yīng)按裙房本身確定抗震等級(jí)外，相關(guān)范圍不應(yīng)低于主樓的抗震等級(jí)，裙房與主樓相連的相關(guān)范圍”，對(duì)于相關(guān)范圍的解釋在規(guī)范條文里指出，一般可從主樓周邊外延3跨且不小于20m，相關(guān)范圍以外的區(qū)域可按裙房自身的結(jié)構(gòu)類型確定其抗震等級(jí)。因此，對(duì)于主體結(jié)構(gòu)嵌固端以上附帶地下室部分，也應(yīng)該按這一條執(zhí)行，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中需要單獨(dú)定義相關(guān)范圍內(nèi)構(gòu)件的抗震等級(jí)，現(xiàn)行軟件不能自動(dòng)識(shí)別，在施工圖部分中需要單獨(dú)注明相關(guān)范圍的構(gòu)件，便于施工單位施工時(shí)按相關(guān)抗震構(gòu)造措施施工。在對(duì)于有附屬地下室主體結(jié)構(gòu)確定嵌固端位置時(shí)，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010，6.1.14條2款有相關(guān)要求“結(jié)構(gòu)地上一層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍”。《高規(guī)》5.3.7條規(guī)定“高層建筑結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，地下一層與首層側(cè)向剛度比不宜小于2”。對(duì)于規(guī)范中關(guān)于“相關(guān)范圍”一般可從地上結(jié)構(gòu)（主樓、有裙房時(shí)含裙房）周邊外延不大于20m，因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)該注意，在整體計(jì)算模型時(shí)，在確定主體結(jié)構(gòu)嵌固端是否滿足嵌固要求時(shí)，可以將“相關(guān)范圍”從整體模型中拆分出來(lái)，以判斷主樓的嵌固端位置是否滿足規(guī)范要求，如圖1所示。如果上部主樓結(jié)構(gòu)與附屬的地下室整體計(jì)算，按照整體計(jì)算所得的結(jié)果判斷主樓的嵌固端，造成嵌固端滿足規(guī)范的假象，這對(duì)上部結(jié)構(gòu)及附屬地下室偏于不安全的。因?qū)嶋H工程的復(fù)雜性以及當(dāng)?shù)叵率沂┕ね戤吅?，其周圍的基槽的回填土是夯?shí)質(zhì)量大多數(shù)得不到保證，往往是松散狀態(tài)，地基回填土并非完全約束了地下室的側(cè)移和轉(zhuǎn)角。所以在對(duì)實(shí)際工程的具體分析時(shí)，應(yīng)充分考慮不利因素，選取合理真實(shí)的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。同時(shí)對(duì)于大底盤的多塔建筑來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí)，大底盤結(jié)構(gòu)中多塔在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)嵌固端位置在地下室頂板處時(shí)，確定嵌固端位置時(shí)，按單塔模型附帶“相關(guān)范圍”進(jìn)行分析計(jì)算。而當(dāng)嵌固端位于基礎(chǔ)頂面時(shí)，則宜將塔樓和大底盤共同進(jìn)行計(jì)算分析，以便符合實(shí)際情況。

因此對(duì)于高層含附屬地下室及大底盤多塔樓建筑的工程在確定嵌固位置是一個(gè)很重要的問(wèn)題，涉及到高層計(jì)算中剛度比等重要指標(biāo)的控制，以及抗震構(gòu)造措施的確定等問(wèn)題。因此，嵌固端的理解及嵌固部位的合理選取對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)具有非常重要的實(shí)踐意義。

2 高層建筑地下室剪力墻設(shè)計(jì)中注意的相關(guān)問(wèn)題

根據(jù)《高規(guī)》3.9.5條“抗震設(shè)計(jì)的高層建筑，當(dāng)?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí)，地下一層相關(guān)范圍的抗震等級(jí)應(yīng)按上部結(jié)構(gòu)采用，地下一層以下抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)可逐層降低一級(jí)，但不應(yīng)低于四級(jí)；地下室中超出上部主樓相關(guān)范圍且無(wú)上部結(jié)構(gòu)的部分，其抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或四級(jí)”。由于計(jì)算軟件在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，不能自動(dòng)按本條執(zhí)行，需要設(shè)計(jì)人員，在設(shè)計(jì)過(guò)程中單獨(dú)定義地下一層以下抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)，這樣在滿足規(guī)范要求的前提下優(yōu)化地下室部分鋼筋用量，主要表現(xiàn)在框架結(jié)構(gòu)及剪力墻部分鋼筋錨固長(zhǎng)度的變小，框架柱、剪力墻軸壓比限制的減小，直接影響是截面大小的減小，混凝土用量減少。

地下室外墻作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，因其計(jì)算簡(jiǎn)圖中邊界約束條件的定義粗略程度以及墻體平面外荷載取值的近似性，還有對(duì)墻體構(gòu)造措施處理的強(qiáng)弱等因素均會(huì)造成設(shè)計(jì)與墻體實(shí)際受力狀態(tài)誤差偏大。地下室外墻在土壓力作用下不會(huì)發(fā)生整體側(cè)移，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)，外墻承受的土壓力為靜止土壓力，而不是被動(dòng)土壓力，一般情況下靜止土壓力系數(shù)取值：對(duì)砂類土0.35～0.45，對(duì)黏性土0.5～0.7。當(dāng)?shù)叵率沂┕げ捎么箝_挖形式，沒有做坑壁支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，靜止土壓力一般取0.5，但當(dāng)考慮坑壁支護(hù)結(jié)構(gòu)與外墻共同作用時(shí)，靜止土壓力系數(shù)乘以0.66來(lái)計(jì)算，土壓力計(jì)算時(shí)地下水位以上取土的重度，地下水位以下時(shí)取土的浮重度。地下室外墻計(jì)算中可以近似按單向板計(jì)算，即取頂板、底板為外墻的支承點(diǎn)，取單位寬度的外墻視地下室的層數(shù)按單跨或多跨連續(xù)板進(jìn)行計(jì)算，外墻的支承條件按外墻與周邊構(gòu)件的剛度比確定，當(dāng)外墻剛度相對(duì)于與之相連周邊構(gòu)件的剛度較大時(shí)，按簡(jiǎn)支考慮，當(dāng)剛度較小時(shí)按固結(jié)考慮。當(dāng)外墻兩側(cè)存在翼墻或線剛度較大的扶壁框架柱，且翼墻或扶壁柱間距不大于層高的兩倍時(shí)，外墻按雙向板計(jì)算。一般外墻按底部固結(jié)，頂部視情況為簡(jiǎn)支、固結(jié)或半固結(jié)的壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)計(jì)算時(shí)忽略翼墻或扶壁框架柱對(duì)外墻約束的有利因素時(shí)，則外墻計(jì)算結(jié)果將會(huì)偏大。

3 高層建筑應(yīng)進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

對(duì)于高層建筑建筑應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)防三個(gè)水準(zhǔn)目標(biāo)，即“小震不壞”、“中震可修”、“大震不倒”，一般情況下（不是所有情況下），遭遇第一水準(zhǔn)烈度——眾值烈度（多遇地震）影響時(shí)，建筑處于正常使用狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)抗震分析角度，可以視為彈性體系，采用彈性反應(yīng)譜進(jìn)行彈性分析，一般采用底部剪力法、反應(yīng)譜法、彈性時(shí)程分析方法；遭遇第二水準(zhǔn)烈度——基本烈度（設(shè)防地震）影響時(shí)，結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性工作階段，但非彈性變形或結(jié)構(gòu)體系的損壞控制在可修復(fù)的范圍，遭遇第三水準(zhǔn)烈度——最大預(yù)估烈度（罕遇地震）影響時(shí)，結(jié)構(gòu)有較大的非彈性變形，但應(yīng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以免倒塌，一般采用靜力彈塑性分析（PUHSOVER），動(dòng)力彈塑性分析，在具體工程上是采用動(dòng)力彈塑性還是靜力彈塑性，《高規(guī)》3.11.4條有具體規(guī)定“ 高度不超過(guò)150m的高層建筑可采用靜力彈塑性分析方法；高度超過(guò)200m時(shí)，應(yīng)采用彈塑性時(shí)程分析法；高度在150m～200m之間，可視結(jié)構(gòu)自振特性和不規(guī)則程度選擇靜力彈塑性方法或彈塑性時(shí)程分析方法。高度超過(guò)300m的結(jié)構(gòu)，應(yīng)有兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)算，進(jìn)行校核”。因此對(duì)于不同的工程采取不同的計(jì)算模型，以達(dá)到“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。靜力彈塑性與動(dòng)力彈塑性不同點(diǎn)詳見下表：

靜力彈塑性分析（PUHSOVER）方法是對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下進(jìn)行彈塑性變形分析的一種簡(jiǎn)化方法。通過(guò)逐漸加大預(yù)先設(shè)定的荷載直到最大控制點(diǎn)位置，獲得荷載-位移能力曲線。經(jīng)過(guò)靜力彈塑性分析（PUHSOVER），得到性能點(diǎn)，根據(jù)性能點(diǎn)時(shí)的變形，主要進(jìn)行以下四個(gè)方面的評(píng)價(jià)：（1）頂點(diǎn)位移是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性頂點(diǎn)位移限值，最大位移一般為建筑總高度X彈塑性層間位移角限值（《高規(guī)》4.6.5條）；（2）層間位移角是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值，具體見《高規(guī)》4.6.5條；（3）底層剪力是否滿足反應(yīng)譜基底剪力的3～5倍；（4）構(gòu)件的局部變形（梁柱等）塑性鉸的變形，檢驗(yàn)它是否超過(guò)建筑某一性能水準(zhǔn)下的允許變形。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈塑性分析是一個(gè)高度非線性問(wèn)題，包括三個(gè)方面的非線性：（1）材料非線性；（2）幾何非線性；（3）邊界非線性（狀態(tài)非線性）。整個(gè)分析過(guò)程數(shù)據(jù)龐大，涉及到的方面包括靜力彈性計(jì)算的建模、計(jì)算、設(shè)計(jì)、施工圖；動(dòng)力計(jì)算包括：地震波，動(dòng)力方程的數(shù)值積分，阻尼等，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)該關(guān)注結(jié)構(gòu)的抗大震性能以及如何實(shí)現(xiàn)和把握結(jié)構(gòu)的性能。一般規(guī)則的結(jié)構(gòu)，在大震強(qiáng)度的震震波激勵(lì)下，計(jì)算均能順利計(jì)算完成，層間位移角不會(huì)超過(guò)規(guī)范要求，構(gòu)件也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的損害或者變形。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高層建筑隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展逐年增多，做為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者，應(yīng)該注重結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，本文主要從高層主體結(jié)構(gòu)嵌固端合理確定、高層建筑地下室剪力墻、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析等幾個(gè)方面論述了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意的問(wèn)題，由于具體項(xiàng)目的復(fù)雜性、特殊性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)人員實(shí)際工作注意的方面很多，在設(shè)計(jì)中注重工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，掌握好計(jì)算軟件技術(shù)原理，提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)合理性。

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[5] 多層及高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性靜力、動(dòng)力分析軟件PUSH﹠EPDA用戶手冊(cè).北京

作者簡(jiǎn)介：善忠海（1982- ），男，工程師，本科，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。