對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在問題的分析_建筑設(shè)計(jì)論文發(fā)表

1、對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在問題的分析_建筑設(shè)計(jì)論文發(fā)表    對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在問題的分析_建筑設(shè)計(jì)論文發(fā)表2011-08-01 11:43 來源：未知 瀏覽次數(shù)： 關(guān)鍵字： 高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問題分析對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在問題的分析游鑫 摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和建筑功能的多樣化，城市人口的不斷增多及建設(shè)用地日趨緊張和城市規(guī)劃的需要，促使高層建筑得以快速發(fā)展。另一方面由于輕質(zhì)高強(qiáng)材料的開發(fā)及新的設(shè)計(jì)計(jì)算理論的發(fā)展，抗風(fēng)和抗震理論的不斷完善，加之新的施工技術(shù)和設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，特別是計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)分析手段的不斷提高，為迅速發(fā)展高層建

2、筑提供了必要的技術(shù)條件。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中值得重視的幾個(gè)問題進(jìn)行了探討,僅供參考。關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問題分析1. 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析在結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析階段，如何準(zhǔn)確，高效地對工程進(jìn)行內(nèi)力分析并按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和處理，是決定工程設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。由于新規(guī)范的推出對結(jié)構(gòu)整體計(jì)算和分析部分相當(dāng)多的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)，因此，結(jié)構(gòu)工程師也應(yīng)該相當(dāng)?shù)貙@一階段比較常見的問題有一個(gè)清晰的認(rèn)識。（1）結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的軟件選擇。目前比較通用的計(jì)算軟件有：SATWE、TAT、TBSA或ETABS、SAP等，但是，由于各軟件在采用的計(jì)算模型上存在著一定的差異，因此導(dǎo)致了各軟件的計(jì)算結(jié)果有或大或小的不

3、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(nèi)容實(shí)際上在新老規(guī)范中都有提及，只是，在新規(guī)范中根據(jù)大量工程的實(shí)測周期明確提出了各種結(jié)構(gòu)體系下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算自振周期折減系數(shù)。（3）振型數(shù)目是否足夠。在新規(guī)范中增加一個(gè)振型參與系數(shù)的概念處理措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。并明確提出了該參數(shù)的限值。由于在舊規(guī)范設(shè)計(jì)中，并未提出振型參與系數(shù)的概念，或即使有該概念，該參數(shù)的限值也未必一定符合新規(guī)范的要求，因此，在計(jì)算分析階段必須對計(jì)算結(jié)果中該參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行判斷，并決定是否要調(diào)整振型數(shù)目的取值。（4）多塔之間各地震周期的互相干擾，是否需要分開計(jì)算。一段時(shí)間以來，大底盤，多塔樓的建筑類型大量涌現(xiàn)，而在計(jì)算

4、分析該類型建筑時(shí)，是將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體并按多塔類型進(jìn)行計(jì)算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開進(jìn)行計(jì)算，是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問題。如果多塔間剛度相差較大，就有可能出現(xiàn)即使振型參與系數(shù)滿足要求，但是對某一座塔樓的地震力計(jì)算誤差仍然有可能較大，從而便結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。（5）非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算與設(shè)計(jì)。在建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。對這部分內(nèi)容，尤其是建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于建筑的地震作用和風(fēng)荷載均較大，因此，必須嚴(yán)格按照新規(guī)范中增加的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算處理措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。2. 高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能對于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)基

5、本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計(jì)的控制因素，其原因有兩個(gè)：其一，較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒；其二，側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比，側(cè)向荷載對建筑物的效應(yīng)不是線性增加的，而隨建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有條件相同時(shí)，在風(fēng)荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側(cè)向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應(yīng)更加明顯。在高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，高層建筑的結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異。3. 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問題建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心

6、、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求建筑三心盡可能匯于一點(diǎn),即三心合一。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中未做到三心合一,在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉(zhuǎn)破壞,應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局,盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下,高層建筑扭轉(zhuǎn)作用的大小取決于質(zhì)量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻,減輕結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動,應(yīng)使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下,由于城市規(guī)劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制,高層建筑不可能全部采用簡單平面形式,當(dāng)需要采用不規(guī)則L形、T形、十字形等比較復(fù)雜

7、的平面形式時(shí),應(yīng)將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi),同時(shí),在結(jié)構(gòu)平面布置時(shí),應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)處于對稱狀態(tài)。建筑結(jié)構(gòu)的振動周期問題包含兩方面:（1）合理控制結(jié)構(gòu)的自振周期；（2）控制結(jié)構(gòu)的自振周期使其盡可能錯開場地的特征周期。3.1 結(jié)構(gòu)自振周期高層建筑的自振周期(T1)宜在下列范圍內(nèi):框架結(jié)構(gòu):T1=(0.10.15)N框剪、框筒結(jié)構(gòu):T1=(0.080.12)N剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu):T1=(0.040.10)NN為結(jié)構(gòu)層數(shù)。結(jié)構(gòu)的第二周期和第三周期宜在下列范圍內(nèi):第二周期:T2=(131/5)T1；第三周期:T3=(1/51/7)T1。3.2 共振問題當(dāng)建筑場地發(fā)生地震時(shí),如果建

8、筑物的自振周期和場地的特征周期接近,建筑物和場地就會發(fā)生共振。因此在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)針對預(yù)估的建筑場地特征周期,通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的層數(shù),選擇合適的結(jié)構(gòu)類別和結(jié)構(gòu)體系,擴(kuò)大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別,避免共振的發(fā)生。3.3 水平位移特征水平位移滿足高層規(guī)程的要求,并不能說明該結(jié)構(gòu)是合理的設(shè)計(jì)。同時(shí)還需要考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí),地震力的大小與結(jié)構(gòu)剛度直接相關(guān),當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度小,結(jié)構(gòu)并不合理時(shí),由于地震力小則結(jié)構(gòu)位移也小,位移在規(guī)范允許范圍內(nèi),此時(shí)并不能認(rèn)為該結(jié)構(gòu)合理。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)周期長、地震力小并不安全；其次,位移曲線應(yīng)連續(xù)變化,除沿豎向發(fā)生剛度突變外,不應(yīng)有明顯

9、的拐點(diǎn)或折點(diǎn)。一般情況下剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎曲型;框架結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為剪切型；框剪結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎剪型。4. 結(jié)構(gòu)剛度高層建筑的抗側(cè)剛度對結(jié)構(gòu)的抗震性能有很大的影響，應(yīng)設(shè)計(jì)得剛些還是柔些，不同的設(shè)計(jì)人員有不同的看法，因此各結(jié)構(gòu)物的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相差較大。某商業(yè)中心大廈25層，建筑面積約6萬平方米，鋼筋混凝土框架一筒體加水平剛性層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)以位移限值作為控制，計(jì)算的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和最大層間位移值分別為346mm(H/493）和7.75mm(h/393)，滿足當(dāng)時(shí)的國家規(guī)范且富余很少，基本周期Tl=4.355，整個(gè)結(jié)構(gòu)比較柔，地震作用也較小，底部剪力FEk、0.013GE。該大廈的

10、各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均低于同類工程，鋼筋用量約為95kgm3。為保證結(jié)構(gòu)有較好的抗震性能，在構(gòu)造上采取了一些加強(qiáng)措施以保證構(gòu)件的延性。經(jīng)過幾年的強(qiáng)臺風(fēng)和小地震考驗(yàn)，結(jié)構(gòu)安全完好，證明建在較硬場地上的高層建筑可以按變形控制設(shè)計(jì)，以柔克剛，既安全又經(jīng)濟(jì)。5. 高寬比限值一般而言，隨著建筑物高度的增加，傾覆力矩也將迅速增大，高寬比大的結(jié)構(gòu)其安全性和經(jīng)濟(jì)性較差，所以高寬比限值原則上是需要的。但目前高寬比限值中考慮的因素過于簡單。首先，結(jié)構(gòu)的杭傾覆性與基砒埋深、基礎(chǔ)寬度及基礎(chǔ)形式等有很大的關(guān)系?；A(chǔ)埋得越深、基礎(chǔ)寬度越大、結(jié)構(gòu)杭傾覆能力就越好，高寬比就可以越大一些；有樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)上抗傾覆能力比天然地基的抗傾覆能

11、力好，所以高寬比也可以大些。其次，上部結(jié)構(gòu)的剛度分布不同，結(jié)構(gòu)的整體性也不同，若上部結(jié)構(gòu)通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，以使結(jié)構(gòu)在地震作用下和風(fēng)振下都不會有過大的動力反應(yīng)，高寬比也可以大些。比高層建筑更細(xì)柔的高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)并不用H/B來控制，而是通過計(jì)算確定附加彎矩等不利因素從而采取相應(yīng)的措施，安全性同樣能得到保證。因此，當(dāng)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可以通過合理的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來考慮結(jié)構(gòu)整體性和抗傾覆性的要求，突破高寬比的限值。6. 轉(zhuǎn)換層上下層的剛度比底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu)（框支結(jié)構(gòu)）為使剛度不致突變，規(guī)范要求轉(zhuǎn)換層上、下層的剛度比盡量接近1，抗震設(shè)計(jì)時(shí)小于2，即：Gi+1Ai+1 hi=

12、 2 （1）GiAi hi+1設(shè)計(jì)中，為滿足此要求，增加轉(zhuǎn)換層以下層的剪力墻數(shù)量（面積）是最有效和最合理的，但這往往受到限制，而提高混凝土等級所產(chǎn)生的效果比較有限。設(shè)計(jì)中可以通過減小轉(zhuǎn)換層以上層的剪力墻數(shù)量（面積）來達(dá)到減小的目的，可將塔樓較長肢的剪力墻用輕質(zhì)墻隔為短肢墻，即上部為短肢墻結(jié)構(gòu)，這樣既能有效地減小T，又能減輕自重及地震作用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)目的，我們在許多工程設(shè)計(jì)中采用了此方法，效果良好。另外，有時(shí)剪力墻在地面處需要轉(zhuǎn)換（地下室停車需要大空間等），而地下室層高受到限制不允許有較高的框支梁，此時(shí)可以將一層的剪力墻當(dāng)作框支梁看待。因?yàn)榭蛑Я号c剪力墻都為鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，人為的定義只是為了分

13、析傳力而己，實(shí)際上框支梁與剪力墻是共同受力的。如果將一層的剪力墻適當(dāng)加厚，參照框支梁的配筋構(gòu)造要求進(jìn)行布置鋼筋，此時(shí)就可以不再需要另外設(shè)置框支梁了，這在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中能較好地滿足使用要求。順便指出，目前確定轉(zhuǎn)換層上、下剛度比的公式也值得商榷。首先，上、下層的剛度比用式（1）來控制似有不妥，公式中沒有考慮豎向構(gòu)件的布置問題，布置在中間的剪力墻和布置在外圍的剪力墻對層剛度的貢獻(xiàn)是不同的，抗側(cè)剛度中彎曲剛度的作用有時(shí)是很大的，不應(yīng)忽略。7 側(cè)向位移的限值高層建筑結(jié)構(gòu)的水平位移隨著高度增長而迅速變大，為防止位移過大，規(guī)范對頂點(diǎn)位移和層間位移都作了一定的限制?？刂祈旤c(diǎn)位移u/H的主要目的是保證居住、工作

14、的人有舒適感和防止房屋在罕遇地震時(shí)倒塌，但人的舒適感主要與結(jié)構(gòu)的自振周期和頂點(diǎn)的加速度有關(guān)，而與頂點(diǎn)位移的大小基本上沒有什么直接關(guān)系，所以用控制u/H來保證人的舒適度是不合理的。另外，u/H較大的結(jié)構(gòu)只是可能會倒塌，而結(jié)構(gòu)遭遇到強(qiáng)烈地震時(shí)能保證不倒塌的關(guān)鍵，是結(jié)構(gòu)構(gòu)件、體系應(yīng)具有足夠的變形能力和耗能能力，如采用一些減振、隔振裝置，關(guān)鍵部位用鋼骨混凝土等。控制房屋在罕遇地震時(shí)倒塌與否的條件是結(jié)構(gòu)極限變形能力而不是u/H限值。控制層間位移u/h的主要目的是防止填充墻、裝飾物等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開裂和損壞，但目前的限值中沒有明確u的定義，樓層形心處的水平位移值和角點(diǎn)處的水平位移值有時(shí)會相差很大，上下兩層的水平位移差與層轉(zhuǎn)角的含義又不同，下層轉(zhuǎn)動引起的上層剛性位移對構(gòu)件內(nèi)力并不產(chǎn)生內(nèi)力，彎曲產(chǎn)生的變形和剪切產(chǎn)生的變形對構(gòu)件內(nèi)力的影響也是不一樣的。因此，雖然u/h有限值要求，但不同的算法所得的數(shù)值有時(shí)會相差幾倍，所以u/h實(shí)際上失去了指導(dǎo)設(shè)計(jì)的意義。另外，衡量填