建筑结构概念设计中存在的问题改进

【摘 要】本文针对土建结构设计过程中的一些问题,如构造要求、设置少量抗震墙的结构,荷载、连梁设计,沉降缝设置等进行探讨分析,得出了一些可供同行参考的结论.

【关 键 词】概念设计；建筑结构设计；抗震墙；连梁；沉降缝

1设置少量抗震墙的框架结构体系

新规范实施后,荷载增加,地震作用增大,这使得有些结构按纯框架进行抗震计算时其层间位移角不能满足1／550的限值要求；也有些纯框架在抗震计算时,抗扭指标不满足要求,或是扭转位移比超过了1．5的限值,或是扭转周期比Tt／T1,超过了0．9的限值.

为了解决上述问题,一些结构设计中采用了设置少量抗震墙的框架结构,在刚度相对较弱的一侧增设少量抗震墙,或将楼、电梯问做成混凝土筒而形成框架加少量抗震墙的结构.在设计时按纯框架结构进行计算,抗震墙作为安全储备,并按构造配置钢筋.计算结果,侧移虽然较按框剪结构计算增大,但能满足纯框架结构的要求.但是,由于抗震墙是客观存在的,钢筋混凝土墙有极大的刚度,一片墙的刚度超过几十根柱子的刚度.也就是说,由于抗震墙的客观存在使结构周期缩短,地震力大增,且地震力大部分集中在抗震墙上.在地震力作用下,抗震墙混凝土墙体将产生脆性破坏.

由于抗震墙的存在,使框架梁受力产生较大变化,框架梁负筋受影响较大,与按框架一抗震墙结构设计比较,按框架结构计算的下部几层框架负筋增加,而上部几层框架负筋减少.这是因为,对于框架一抗震墙结构,抗震墙是竖向悬臂弯曲构件、其弯形曲线为弯曲型,越往上,侧移增加越快,而框架则类似竖向悬臂剪力梁,其弯形为剪切型,越往上侧移增加越慢.但是,它们在同一楼层中,刚性的楼板将它们连结在一起,两者的位移协调,相应的内力也互相传递和重分配.

因此,设计成框架结构还是设计成柜框架一抗震墙结构,必须十分明确,如果按框架结构设计,则不宜设抗震墙,宜采用框架梁、柱、如果设计成框架一抗震墙结构,则抗震墙必须有一定的数量.将抗震墙作为安全储备,按框架结构设计是不恰当的.

2抗震墙及连粱的布置

在地震作用下,联肢墙可发生下列破坏形式：

2.1墙肢由于抗剪力不够而发生剪力破坏.此种破坏为脆性破坏,这会使抗震墙很快丧失承载能力,甚至造成结构突然倒塌,这是设计时应该绝对避免的,现行《建筑设计抗震规范》规定了抗震墙截面的剪压比限值和墙底部设计值的放大系数,就是为了防止墙肢发生剪切破坏.

2.2墙肢发生弯曲破坏.此时,连梁尚未屈服,这种墙肢在破坏时极限变形很小,它虽然是一种延性破坏但吸收地震能量是有限的,设计中应避免这种情况出现.

2.3连梁发生剪切破坏.连梁发生剪切破坏会使联肢墙各肢丧失连梁的约束作用,在沉墙全高所在连梁均发生剪切破坏时,联肢墙的各墙肢成为单片的独立剪力墙,这会使结构的侧向刚度大大降低,墙肢弯矩增大.但是和墙肢发生剪切破坏相比,连梁发生剪切破坏,结构尚未丧失承载力,由于刚度降低,地震力随之降低,还不会造成结构的倒塌.

2.4连梁先屈服,最后是墙肢屈服.当连梁有足够的延性时,它通过塑性的变形吸收大量的地震能量,由于产生塑性铰,使结构周期变长,地震力降低,同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力,对墙肢起到一定的约束作用,使墙肢继续保持足够的刚度和强度.这是设计中应首先考虑做到的.

在实际工程设计中,由于有些工程结构平面复杂,且受建筑功能的限制,抗震墙布置数量较少,如果增加抗震墙数量可以收到明显效果,但增加抗震墙,必须布置均匀、合理,否则由于抗震墙增加,刚度加大,地震力增加,抗震墙受力不均匀,效果反而不好.

在抗震墙数量不能满足要求的情况下,加开结构洞,降低连梁高度,降低结构刚度,使地震力减小,同时使各片抗震墙受力均匀,使连梁承受的剪力相应减少,使抗震墙满足抗震要求,连梁满足强剪弱弯的要求,从而达到在强震作用下,连梁先于抗震墙屈服的情况.

我们知道,刚性高层建筑有利于抵抗风荷载及小震,而柔性结构对大震十分有利.理想的设计是在小震及风荷载作用下处于刚性状态,而在大震作用下,结构处于柔性状态.因此通过调整连梁截面,满足强剪弱弯的要求,使得连梁在小震时仍处于弹性,而在大震时出现塑性铰,进而使结构在大震时进入柔性状态.

3不到顶的抗震墙

当底部几层裙房与主楼连为一体时,有时设计人员只考虑到底部几层剪力大,且楼梯多,在裙房部分设置较多的抗震墙；这部分抗震墙只在群楼设置不到顶；由于裙房部分层数少,地震力降低较少,且抗震墙不到顶,刚度的突变对结构抗震墙更加不利.因此对这类建筑,抗震墙应尽可能贯通建筑全高布置,避免刚度的突变造成的不利影响.

4沉降缝的设置

在一般房屋结构总体布置中,考虑到沉降、混凝土收缩、温度应力和体形复杂对房屋结构的不利影响,常常用沉降缝、伸缩缝或防震缝将房屋分成若干独立部分,从而消除沉降差,温度应力和复杂体型对结构的危害.但高层建筑中,常常由于建筑使用要求和立面效果考虑,以及防水处理困难等等,希望少设缝或不设缝.希望能在结构总体布置上或采取一些构造措施来减少沉降差、温度应力和体形复杂引起的问题.

但高层建筑一般高达十五层以上,而裙房一般低于六层,由于二者高差十分显著,上部结构荷载和刚度相差很大,对地基基础而言.这种情况往往造成基础内力和地基反力的差异,且变化很大,导致基础发生过大的沉降差异,如果高层建筑主楼和裙房之间的基础设计和连接不当,过大的沉降差将引起次应力,造成建筑开裂.

目前．处理高层建筑主楼和裙房之间差异沉降的办法主要有三种：(1)设置沉降缝将主楼和裙房分开；(2)主楼和裙房同置于一个刚度很大的基础上；(3)主楼和裙房分别用不同基础形式的联合设计.中间不设沉降缝.

4.1设置沉降缝

设置沉降缝将主楼和裙房基础分开.是一种传统的设计方法,按建筑地基基础规范,在建筑高度和荷载差异部位,结构或基础类型不同的部位,宜设沉降缝.但由于沉降缝带来便用上的不方便(容易漏水,影响正常使用),还影响整个建筑物的美观,造价也有所增加,因而这种处理方法较少被采用.

4.2采用整体基础

高层建筑主楼和裙房采用整体基础,二者同置于刚度很大的箱基或厚筏基础上,用基础本身抵抗差异沉降产生的内力；或者基础通过桩支承在基岩或变形较小的持力层上.这样,可以使主楼和裙房基础之间不产生沉降差异.

当主楼和裙房采用用整体基础时,由于裙房与主楼在底板交界处连成整体,而主楼刚度要比裙房大得多,相当于主楼为固定端的倒悬臂一样,结合部位弯矩较大,因此结合部位就成了基础设计的重点.无裙房时,高层建筑的基底应力中间小、四周大,有裙房时,裙房的存在使基底反力的分布呈中间大、两侧小,到裙房侧边又略有回升.另外地基压缩模量较低时,它的变化对差异沉降和基础弯矩影响较大这就要求计算基础内力时,地基压模量取值必须较准,从而增加了在软土地基中使用这种设计方法的难度.

4.3联合设计

主楼和裙房基础的联合设计,是指主楼和裙房采用不同的基础形式,但中间不设沉降缝.这种方法通常主楼是采用轻质材料减少自重或采取补偿基础以减少主楼附加压力.在主楼和裙房之间设后浇带,在主楼施工期间可自由沉降,待主楼结构施工完毕后再浇后浇带中混凝土,使余下的不均匀沉降可以忽略或按经验方法处理.

当主楼和裙房之间不设沉降缝时,应从下面几个方面综合考虑.

4.3.1建筑平面简单,裙房位置比较有利,当体形复杂时,需做好加强结构整体性的措施.．

4.3.2裙房面积较小,根据裙房伸出主楼的长度,确定采用整体基础.

4.3.3采用桩基,使桩支承在基岩上,或采取减少沉降的有效措施,并经计算,将沉降差和相对倾斜控制在规范允许范围内.

基础采用联合设计要考虑以下几点：

（1）能够准确地计算基础及上部结构由于差异沉降引起的内力和相应的配筋.

（2）采用不同的基础形式,主楼采用桩筏、桩箱或箱基且底板悬挑,扩大基底面积,降低附加压力,减少主楼沉降,当裙房层数较少时；可采用独立基础方案.

（3）地基土质条件好,沉降计算可靠时,主楼和裙房基础可预留沉降差.

（4）先施工主楼,后施工裙房；在主楼和裙房之间设置后浇带,尽量推迟浇灌时间,使两者后期沉降基本接近.

5结语,

5.1由于少量抗震墙客观存在,同纯框架相比,基底剪力和框架梁支座负弯矩都大大增加,因此将抗震墙作为安全储备,按纯柜架结构设计,是不恰当的.

5.2在抗震墙数量较少.又不能增加抗震墙数量的情况下,通过结构合理布置,开结构洞,降低地震力,使抗震墙均匀受力,可满足抗震要求,连梁满足强剪弱弯要求.

5.3抗震墙应尽量贯通建筑全高,避免刚度突变.

5.4高层建筑主楼与裙房之间是否设缝要根据工程具体情况而定,实践证明,主楼和裙房不设缝时的沉降及内力,并不一定比设缝时更大.相反,由于主楼和裙房连在一起．协同工作,可能会更有利.

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