在高层建筑结构设计中的常见问题

摘 要：自我国各种结构设计新规范陆续实施以来,结构设计者在工作中经常会碰到一些问题.笔者结合多年的建筑结构设计经验,在本文中与各位同行一同探讨.

关 键 词：高层建筑,结构设计,抗震,周期,剪重比

前言：

随着社会经济的迅速发展和建筑功能的多样化,城市人口的不断增多及建设用地日趋紧张和城市规划的需要,促使高层建筑得以快速发展.特别是各种结构设计新规范陆续实施以来,结构设计者在工作中经常会碰到一些问题.而本文对高层建筑结构受理性能以及设计中的经常遇到的结构扭转、结构的侧移和振动周期、剪重比等若干问题进行了讨论.仅供参考

1.高层建筑结构受力性能

对于一个建筑物的最初的方案设计,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,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和分布作出总体设想.

对于低层、多层和高层建筑,竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的,但是,随着高度的不断增加,竖向结构体系成为设计的控制因素,其原因有两个：其一,较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒；其二,侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多.与竖向荷载相比,侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的,而随建筑高度的增高迅速增大.例如,在所有条件相同时,在风荷载作用下,建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比,而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比,地震的作用效应更加明显.在高层建筑中,问题不仅仅是抗剪,而更重要的是整体抗弯和抵抗变形,可见,高层建筑的结构受力性能与低层建筑有很大的差异.

2.高层建筑结构设计中的扭转问题

建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心,在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点,即三心合一.结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一,在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应.为避免建筑物因水平荷载作用而发生的扭转破坏,应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局,尽可能地使建筑物做到三心合一.在水平荷载作用下,高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布.为使楼层水平力作用沿平面分布均匀,减轻结构的扭转振动,应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式.在某些情况下,由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制,高层建筑不可能全部采用简单平面形式,当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时,应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内,同时,在结构平面布置时,应尽可能使结构处于对称状态.

3.高层建筑结构设计中的侧移和振动周期

建筑结构的建筑结构的振动周期问题包含两方面:（1）合理控制结构的自振周期；（2）控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期.

3.1结构自振周期

高层建筑的自振周期(T1)宜在下列范围内:

框架结构:T1等于(0.1～0.15)N

框―剪、框筒结构:T1等于(0.08～0.12)N

剪力墙、筒中筒结构:T1等于(0.04～0.10)N

N为结构层数.

结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内:

第二周期:T2等于(13～1/5)T1；第三周期:T3等于(1/5～1/7)T1

3.2共振问题

当建筑场地发生地震时,如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近,建筑物和场地就会发生共振.因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期,通过调整结构的层数,选择合适的结构类别和结构体系,扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别,避免共振的发生.

3.3水平位移特征

水平位移满足高层规程的要求,并不能说明该结构是合理的设计.同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素.因为结构抗震设计时,地震力的大小与结构刚度直接相关,当结构刚度小,结构并不合理时,由于地震力小则结构位移也小,位移在规范允许范围内,此时并不能认为该结构合理.因为结构周期长、地震力小并不安全；其次,位移曲线应连续变化,除沿竖向发生刚度突变外,不应有明显的拐点或折点.一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型,框架结构的位移曲线应为剪切型；框―剪结构和框―筒结构的位移曲线应为弯剪型.

4.位移限值、剪重比及单位面积重度

4.1位移限值

在结构整体计算的输出结果中,结构的侧移（包括层间位移和顶点位移）是一个重要的衡量标准,其数值大小从一个侧面反映出结构的整体刚度是否合适,过大或过小都说明结构刚度过小或过大（或者体现结构两个主轴方向的刚度是否均衡）,以致要引起设计者对其中的结构体系选择、结构的竖向及平面布置合理性的再思考.现行规范中将顶点位移与层间位移并重对待,经实践探索并参照国外经验,得出的结论为：高层建筑尤其是超高层建筑,顶点位移限值决定的不仅是其数值大小而且还有其振动频率,人的舒适感觉与振动频率有关而与振动幅度（绝对位移）关系不大,即摆动频率不太高时就可满足人们的舒适度；其次,防止结构由于变形过大而可能遭受损坏或破坏的控制因素是层间相对位移,而其限值在现行规范中似偏严,可予放松.同一结构用不同的计算程序计算,如果其层间位移数值差异很大,则有可能是其“层间位移”内涵不同所致,有的是指楼层形心位移,有的则专指考虑楼层转动后的最大角点位移,后者通常比前者要大,形心位移对规则建筑有意义,而角点位移则更能反映结构楼层的真实位移,因此角点位移是结构工程师必须关注的一个数值.

4.2剪重比及单位面积重度

结构的剪重比（也即水平地震剪力系数）λ等于VEK/G是体现结构在地震作用下反应大小的一个指标,其大小主要与结构地震设防烈度有关,其次与结构体型有关,当设防烈度为7、8、9度时,剪重比分别为0.012,0.024,0.040；扭转效应明显或基本周期<3.5s的结构剪重比则分别≮0.016,0.032,0.064.单位面积重度γ0=G/A(kN/m2)是衡量结构构件）截面取值是否合理和楼层荷载数据输入是否正确的一个重要指标.式中的G由以下几部分,即结构构件自重、楼面建筑面层及天棚抹灰（或吊顶）重、填充墙（包括抹面层）重和楼面使用荷载组成；A则一般以地面以上的建筑面积总和计算,以便有一个相对准确的比较标准.定性地分析比较r0值的大小,可得出以下结果,即一般内部隔墙多的建筑（比如住宅）大于间隔墙少的建筑（比如敝开式办公室）；层数多的建筑略大于层数少的同性质建筑；设防烈度高的建筑大于设防烈度低的同性质同规模建筑；剪力墙多的建筑大于剪力墙少甚至仅为框架的建筑.一般高层建筑的单位面积重度10~18kN/m2之间,除个别较特别的以外,多数在15kN/m2左右.

5.结语：

（1）以上两个指标不仅在施工图设计阶段,而且在初步设计阶段都是非常重要的数据,其数值正常与否从另一个侧面反映出结构体系的选择是否合适,结构布置（包括构件截面确定）是否合理,电算数据输入是否正确,以及最后决定电算结果是否可信可用等,因此结构设计者对这两个指标切不可掉以轻心,更不可认为是无关紧要的.

（2）高层建筑是个复杂的系统工程,结构工程师不仅需要重视结构计算的准确性,而且要密切与各专业协调,从而保证计算简图的实现.研究高层建筑结构上部结构、地基、基础的共同工作.不断地探求自然法则,不懈地追求相对的最佳最优,要通过反思比较,在经验积累中不断提高自己的判断力和创新力,提出更先进更符合工程实际情况的计算理论和方法,是结构工程师不断努力的目标.