淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題

毛華毅

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和人民生活的迅速提高,業(yè)主及建筑師的創(chuàng)新藝術(shù)使得鋼筋混凝土高層建筑發(fā)展被廣泛應(yīng)用。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給工程設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求,下面就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 結(jié)構(gòu)選型

對(duì)于高層結(jié)構(gòu)而言,在工程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)選型階段,結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)。

1.1 合理選擇結(jié)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)力求簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱(chēng),避免應(yīng)力集中的凹角和狹長(zhǎng)的縮頸部位;避免在凹角和端部設(shè)置樓電梯間;避免樓電梯間位置偏置,以免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的影響。

1.2 房屋的適用高度和高寬比

在抗震規(guī)范與高規(guī)中,對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制,除了將原來(lái)的限制高度設(shè)定為A級(jí)高度的建筑外,增加了B級(jí)高度的建筑,因此,必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意,一旦結(jié)構(gòu)為B級(jí)高度建筑甚或超過(guò)了B級(jí)高度,其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。

1.3 嵌固端的設(shè)置問(wèn)題

由于高層建筑一般都帶有兩層或兩層以上的地下室和人防,嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板,也有可能設(shè)置在人防頂板等位置,因此,在這個(gè)問(wèn)題上,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來(lái)的一系列需要注意的方面:抗震設(shè)計(jì)的多高層建筑,當(dāng)?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí),地下一層的抗震等級(jí)應(yīng)按上部結(jié)構(gòu)采用,地下一層以下結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或四級(jí)。地下室中超出上部主樓范圍且無(wú)地上結(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)。

1.4 短肢剪力墻的設(shè)置問(wèn)題

短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻。近年興起的短肢剪力墻結(jié)構(gòu),雖然有利于住宅建筑布置,也可減輕結(jié)構(gòu)自重,但在高層住宅中,剪力墻肢不宜太短,因?yàn)槎讨袅Φ目拐鹦阅茌^差,地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多,為安全起見(jiàn),高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。

2 地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一直是結(jié)構(gòu)工程師比較重視的方面,不僅僅由于該階段設(shè)計(jì)過(guò)程的好與壞將直接影響后期設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行,同時(shí),也是因?yàn)榈鼗A(chǔ)是整個(gè)工程造價(jià)的決定性因素,因此,在這一階段,所出現(xiàn)的問(wèn)題也有可能更加嚴(yán)重甚至造成無(wú)法估量的損失。

高層建筑的基礎(chǔ)應(yīng)選用整體性好,滿(mǎn)足地基承載力和建筑物容許變形的要求,并能調(diào)節(jié)不均勻沉降的基礎(chǔ)形式。高層建筑宜設(shè)置地下室以減小地基的附加應(yīng)力和沉降量,有利于滿(mǎn)足天然地基的承載力和上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。此外,在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要注意地方性規(guī)范的重要性。

3 結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算

在結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算階段,如何準(zhǔn)確、高效地對(duì)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。

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)果有或大或小的不同。

2)是否需要地震力放大,考慮建筑隔墻等對(duì)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(cè)周期明確提出了各種結(jié)構(gòu)體系下高層建筑結(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)范中增加了一個(gè)振型參與系數(shù)的概念,并明確提出了該參數(shù)的限值。

4)多塔之間各地震周期的互相干擾,是否需要分開(kāi)計(jì)算。一段時(shí)間以來(lái),大底盤(pán),多塔樓的高層建筑類(lèi)型大量涌現(xiàn),而在計(jì)算分析該類(lèi)型高層建筑時(shí),是將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體并按多塔類(lèi)型進(jìn)行計(jì)算,還是將結(jié)構(gòu)人為地分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算,是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問(wèn)題。

4 抗震分析與設(shè)計(jì)在高層建筑的應(yīng)用

在罕遇地震作用下,抗震結(jié)構(gòu)都會(huì)部分進(jìn)入塑性狀態(tài)。為了滿(mǎn)足大震作用下結(jié)構(gòu)的功能要求,有必要研究和計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì),是根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)在不同超越概率水平的地震作用下的性能或變形要求進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)彈塑性分析成為抗震設(shè)計(jì)的必要的組成部分。我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范GB 50011-2001要求高層建筑的抗震計(jì)算主要是在多遇地震作用下(小震),按反應(yīng)譜理論計(jì)算地震作用。用彈性方法計(jì)算內(nèi)力及位移。對(duì)于重要建筑或有特殊要求時(shí),要用時(shí)程分析法補(bǔ)充計(jì)算,并進(jìn)行罕遇地震作用下(大震)的變形驗(yàn)算。

5 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

5.1 提倡節(jié)約

我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家,還是要盡量提倡節(jié)約,目前我國(guó)規(guī)范中的構(gòu)造要求,并非都比國(guó)外低,有的已經(jīng)超過(guò)。國(guó)外大企業(yè)在北京買(mǎi)了按我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的大樓,說(shuō)明我國(guó)規(guī)范不是進(jìn)不了國(guó)際市場(chǎng)。現(xiàn)在對(duì)安全度進(jìn)行討論,應(yīng)注意不要引起誤導(dǎo),千萬(wàn)不要誤解提高建筑結(jié)構(gòu)安全度建筑物就安全了,造成不必要的浪費(fèi)。實(shí)踐已經(jīng)證明,現(xiàn)行規(guī)范安全度是可以接受的。這是重要的經(jīng)驗(yàn),不能輕易放棄。但考慮到客觀形勢(shì)變化,國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力增強(qiáng)和住宅制度改革現(xiàn)狀,可以將現(xiàn)行設(shè)計(jì)可靠度水平適當(dāng)提高一點(diǎn)。這樣投入不大,卻對(duì)國(guó)家總體和長(zhǎng)遠(yuǎn)利益有利。

5.2 考慮受力性能

對(duì)于一個(gè)建筑物最初的方案設(shè)計(jì),建筑師考慮更多的是它的空間組成特點(diǎn),而不是詳細(xì)地確定它的具體結(jié)構(gòu)。建筑物底面對(duì)建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的。由于建筑物是由一些大而重的構(gòu)件所組成的,因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面,結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的,而建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系,所以,在建筑設(shè)計(jì)的方案階段,就必須對(duì)主要的承重柱和承重墻的數(shù)量與分布作出總體設(shè)想。

5.3 提倡使用概念設(shè)計(jì)

所謂的概念設(shè)計(jì)一般指不經(jīng)數(shù)值計(jì)算,尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問(wèn)題中,依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想。從整體的角度來(lái)確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制。運(yùn)用概念性近似估算方法,可以在建筑設(shè)計(jì)的方案階段迅速、有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇,易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確,避免后期設(shè)計(jì)階段一些不必要的繁瑣運(yùn)算,具有較好的經(jīng)濟(jì)可靠性能。同時(shí),也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。近十余年來(lái)我國(guó)的高層建筑建設(shè)可謂突飛猛進(jìn),其建設(shè)速度和建造數(shù)量在世界建筑史上都是少有的。但是,從設(shè)計(jì)質(zhì)量方面來(lái)看卻不容樂(lè)觀,多數(shù)設(shè)計(jì)追趕流行時(shí)尚,因此在實(shí)際中應(yīng)考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)因素。

6 結(jié)語(yǔ)

目前新高規(guī)和新抗震規(guī)范的改進(jìn),對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求不斷地完善,作為工程設(shè)計(jì)人員必須充分地理解新規(guī)范軟件的編制原理,密切結(jié)合新規(guī)范和工程實(shí)際情況,不斷地提高工程設(shè)計(jì)水平。

[1] 梅洪元,付本臣.中國(guó)高層建筑創(chuàng)作理論發(fā)展研究[C].高層建筑與智能建筑國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì),2002.

[2] 李國(guó)勝.多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中疑難問(wèn)題的處理及算例[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

[3] 趙 華.高層建筑結(jié)構(gòu)選型的復(fù)雜性研究[J].山西建筑,2008,34(13):87-88.