浅谈高层建筑结构设计的若干问题

毛华毅

随着我国国民经济不断发展和人民生活的迅速提高,业主及建筑师的创新艺术使得钢筋混凝土高层建筑发展被广泛应用。高层建筑结构设计给工程设计人员提出了更高的要求,下面就结构设计中的问题进行探讨。

1 结构选型

对于高层结构而言,在工程设计的结构选型阶段,结构工程师应该注意以下几点。

1.1 合理选择结构体系

高层建筑结构平面布置应力求简单、规则、对称,避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位;避免在凹角和端部设置楼电梯间;避免楼电梯间位置偏置,以免产生扭转的影响。

1.2 房屋的适用高度和高宽比

在抗震规范与高规中,对结构的总高度都有严格的限制,除了将原来的限制高度设定为A级高度的建筑外,增加了B级高度的建筑,因此,必须对结构的该项控制因素严格注意,一旦结构为B级高度建筑甚或超过了B级高度,其设计方法和处理措施将有较大的变化。

1.3 嵌固端的设置问题

由于高层建筑一般都带有两层或两层以上的地下室和人防,嵌固端有可能设置在地下室顶板,也有可能设置在人防顶板等位置,因此,在这个问题上,结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面:抗震设计的多高层建筑,当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时,地下一层的抗震等级应按上部结构采用,地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。地下室中超出上部主楼范围且无地上结构的部分,其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。

1.4 短肢剪力墙的设置问题

短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙。近年兴起的短肢剪力墙结构,虽然有利于住宅建筑布置,也可减轻结构自重,但在高层住宅中,剪力墙肢不宜太短,因为短肢剪力墙的抗震性能较差,地震区应用经验不多,为安全起见,高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。

2 地基与基础设计

地基与基础设计一直是结构工程师比较重视的方面,不仅仅由于该阶段设计过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行,同时,也是因为地基基础是整个工程造价的决定性因素,因此,在这一阶段,所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。

高层建筑的基础应选用整体性好,满足地基承载力和建筑物容许变形的要求,并能调节不均匀沉降的基础形式。高层建筑宜设置地下室以减小地基的附加应力和沉降量,有利于满足天然地基的承载力和上部结构的整体稳定性。此外,在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性。

3 结构分析与计算

在结构分析与计算阶段,如何准确、高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理,是决定工程设计质量好坏的关键。

1)结构整体计算的软件选择。目前比较通用的计算软件有:SATWE,TAT,TBSA或ETABS,SAP等,但是,由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异,因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。

2)是否需要地震力放大,考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。该部分内容实际上在新老规范中都有提及,只是,在新规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数。

3)振型数目是否足够。在新规范中增加了一个振型参与系数的概念,并明确提出了该参数的限值。

4)多塔之间各地震周期的互相干扰,是否需要分开计算。一段时间以来,大底盘,多塔楼的高层建筑类型大量涌现,而在计算分析该类型高层建筑时,是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算,还是将结构人为地分开进行计算,是结构工程师必须注意的问题。

4 抗震分析与设计在高层建筑的应用

在罕遇地震作用下,抗震结构都会部分进入塑性状态。为了满足大震作用下结构的功能要求,有必要研究和计算结构的弹塑性变形能力。当前国内外抗震设计的发展趋势,是根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求进行设计,结构弹塑性分析成为抗震设计的必要的组成部分。我国现行抗震规范GB 50011-2001要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下(小震),按反应谱理论计算地震作用。用弹性方法计算内力及位移。对于重要建筑或有特殊要求时,要用时程分析法补充计算,并进行罕遇地震作用下(大震)的变形验算。

5 高层建筑结构设计应注意的问题

5.1 提倡节约

我国是发展中国家,还是要尽量提倡节约,目前我国规范中的构造要求,并非都比国外低,有的已经超过。国外大企业在北京买了按我国规范设计的大楼,说明我国规范不是进不了国际市场。现在对安全度进行讨论,应注意不要引起误导,千万不要误解提高建筑结构安全度建筑物就安全了,造成不必要的浪费。实践已经证明,现行规范安全度是可以接受的。这是重要的经验,不能轻易放弃。但考虑到客观形势变化,国家经济实力增强和住宅制度改革现状,可以将现行设计可靠度水平适当提高一点。这样投入不大,却对国家总体和长远利益有利。

5.2 考虑受力性能

对于一个建筑物最初的方案设计,建筑师考虑更多的是它的空间组成特点,而不是详细地确定它的具体结构。建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定都是非常重要的。由于建筑物是由一些大而重的构件所组成的,因此结构必须能将它本身的重量传至地面,结构的荷载总是向下作用于地面的,而建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系,所以,在建筑设计的方案阶段,就必须对主要的承重柱和承重墙的数量与分布作出总体设想。

5.3 提倡使用概念设计

所谓的概念设计一般指不经数值计算,尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中,依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想。从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法,可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择,易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确,避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算,具有较好的经济可靠性能。同时,也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。近十余年来我国的高层建筑建设可谓突飞猛进,其建设速度和建造数量在世界建筑史上都是少有的。但是,从设计质量方面来看却不容乐观,多数设计追赶流行时尚,因此在实际中应考虑长远因素。

6 结语

目前新高规和新抗震规范的改进,对高层建筑结构设计的要求不断地完善,作为工程设计人员必须充分地理解新规范软件的编制原理,密切结合新规范和工程实际情况,不断地提高工程设计水平。

[1] 梅洪元,付本臣.中国高层建筑创作理论发展研究[C].高层建筑与智能建筑国际学术研讨会,2002.

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