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谈谈高层建筑结构概念设计的若干问题

作者：吴育武

来源：《中国科技纵横》2010年第15期

[摘要]通过对高层建筑结构概念设计几方面阐述,强调以承载力、刚度和延性为主导高层建筑结构概念设计的重要性,从宏观上决定高层建筑结构设计中的基本问题,综合处理好功能、技术、艺术、经济等方面的矛盾,并最终实现抗震设防三水准(小震不坏,中震可修,大震不倒)的基本要求。

【关键词】高层建筑 结构概念设计 基本原则 结构布置原则 基础的合理选型 分析判断

一、 高层建筑结构概念设计的基本原则 (1) 结构的简单性

应将复杂的变成简单。将结构的受力与传力途径设计成越简单、直接和明确就越好。尽可能避免出现以抗扭为主导的关键性传力构件。传力途径越复杂就越易形成内力与变形的不协调和难以预料的薄弱环节。

同理,对结构进行分析计算时,应该运用最简单、最直接、概念很清楚地计算方法;切忌使用概念含糊不清,有的甚至连概念都看不出来,系数套系数的繁琐计算方法。 (2) 结构的规则性和均匀性

1)建筑平面规则,平面内结构布置宜规则、对称、均匀、减少偏心,使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递,并使质量分布与结构刚度分布协调,限制质量与刚度之间的偏心。建筑平面规则、结构布置均匀,有利于防止薄弱层的子结构过早破坏、倒塌,使地震作用能在各子结构之间重分布,增加结构的超静定的数量,发挥整个结构耗散地震能量的作用。

2)沿建筑物竖向的结构布置宜规则、均匀,避免刚度、承载能力和传力途径的突变,避免有过大的外挑和内收,,以限制结构在竖向某一楼层或少数几个楼层出现敏感的薄弱部位,以致在这些部位因产生过大的应力集中和过大的变形而使结构不安全。 (3)结构的刚度和抗震能力

1)水平地震作用是双向的,结构布置应使结构能抵抗任何方向的地震作用。一般情况,可使结构沿平面在两个主轴方向均具有足够的刚度和抗震能力,同时还应具有抗扭转刚度和抵抗扭

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转振动的能力,现在抗震设计计算中不考虑地震地面运动的扭转分量,在概念设计中应该注意提高结构的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。结构的抗震能力则是结构承载力及延性的综合反映。

2) 结构刚度选择时,虽可考虑场地特征,选择结构刚度,以减少地震作用效应,但也要注意控制结构变形的增大,过大的变形将会因P-△效应过大而导致结构破坏。 (4)结构的整体性

1)高层建筑结构中,楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用。楼盖相当于水平隔板,它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构,而且要使这些子结构能协同承受地震作用,特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或各抗侧力子结构水平变形特征不同时,整个结构就要依靠楼盖使各抗侧力子结构能协同工作。

2)高层建筑基础的整体性以及基础与上部结构的可靠连接是结构整体性的重要保证。 (5) 抗震房屋应尽可能设置多道抗震防线,并考虑第一防线被突破后,引起内力重分布的影响不至于使结构出现倒塌。

(6) 结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性及耗能等方面的性能。主要耗能构件应具有较高的延性和适当的刚度,承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。 (7)合理控制结构的非弹性部位(塑性铰区),掌握结构的屈服过程,实现合理的屈服机制。高层钢筋混凝土房屋可以归纳为两类屈服机制:一种为总体机制,另一种为楼层机制,其他机制均可由这两种机制组合而成。典型的楼层机制表现为在水平力作用下仅竖向构件屈服,而横向构件处于弹性。总体机制则表现为所有横向构件屈服而竖向构件除根部外均处于弹性状态。

二、高层建筑结构的结构布置原则

各种结构体系有其各自的优缺点,同时也有它的经济合理的适用范围。设计人员应根据建筑的用途及功能、建筑高度、荷载情况、抗震等级和所具备的物质与施工技术条件等因素来确定结构形式和结构体系类型。

(1) 选择合理的结构体系。合理的结构体系的选择与建筑的使用功能有密切关系,如10 层以上的建筑常选择框架—剪力墙结构形式,而30 层以上的建筑宜选择框筒结构体系等。 (2) 结构平面布置要有利于抵抗水平和竖向荷载,受力明确,传力直接。结构平面宜均匀、对称,减少扭转的影响。在抗震设防区,多高层建筑的平面形状宜简单对称、规则、传力直接、体型尽量简单,以减少震害。当建筑平面复杂时,应通过设置变形缝来划分结构平面单元,使每个结

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构单元的平面满足上述要求。抗震设计A级高度钢筋混凝土高层建筑平面长度不宜过长,突出部分长度不宜过大。

(3) 结构竖向布置应力求自下而上刚度变化均匀,体型均匀不突变,外形尽量减少外挑、内收等。历次地震震害表明:结构刚度沿竖向突变、外挑、内收等都会在某些楼层产生大的变形和应力集中,出现严重的震害和破坏。多高层建筑当结构上部楼层收进部位到室外地面高度H1与房屋高度H 之比大于0.2 时,上部楼层收进后的水平尺寸B1,不宜混凝土结构设计小于0.75B;当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时,B≥0.9 B1,且a≤4 m。

(4) 合理设置变形缝,变形缝包括伸缩缝、沉降缝和防震缝。设置伸缩缝可以减少温度应力的影响,沉降缝可以防止建筑的不均匀沉降,防震缝可以简化结构单元,减少震害。

三、高层建筑基础的合理选型

高层建筑基础的合理选型与设计是整体结构设计中的一个极其重要和非常关键的部分。它不但涉及整栋建筑的使用功能与安全可靠,还直接关系到投资额度、施工进度和对周边现有建筑物的影响。

基础的经济技术指标对高层建筑的总造价有很大的影响,基础的工程造价在整个工程造价中所占的比例较高,尤其是在地质状况比较复杂的情况下,更是如此。

根据不同建筑的地理位置、结构形式可选择桩基础、箱形基础和筏形基础。 四、对结构分析软件计算结果分析判断的必要性

对结构分析软件计算结果,应根据结构设计概念进行分析判断。

(1)《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)第3.6.6条4款《混凝土设计规范》(GB 50010-2002)第5.1.6条,《高层建筑结构技术规程》(JGJ 3-2002)第5.1.16条均规定:对结构分析软件的计算结果,应进行分析判断,确认其合理、有效后方可作为工程设计的依据。

(1) 在目前计算机和计算软件广泛应用的条件下,除了根据具体情况要选择使用可靠的计算软件外,还应对软件的计算结果从力学概念和工程经验等方面加以必要的分析判断确认其合理性和可靠性,以保证结构安全。

(2) 计算软件是根据现行规范、规程进行编制的,在建立计算模型时必须作必要的简化,同时现行规范、规程是成熟经验的总结,而且是最低要求,但对当前许多较复杂的工程而言这些经验是滞后的。