論述某高層建筑結構概念設計與抗震設計原則

1、論述某高層建筑結構概念設計與抗震設計原則    摘要:概念設計是展現(xiàn)先進設計思想的關鍵,一個結構工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結構總體方案的設計,并能有正確意識地處理構件與結構、結構與結構的關系。下面對近幾年設計的高層建筑的適宜剛度、破壞機制、抗震、抗風四個方面的內(nèi)容進行了簡要的分析。 關鍵詞:高層建筑；結構概念設計；設計原則 1掌握樓層結構的破壞機制和塑化過程 樓層破壞機制,整體破壞機制是建筑結構的兩種破壞機制(如圖)。    圖1樓層破壞機制   

2、0;                 圖2整體破壞機制 設計中應盡量避免結構產(chǎn)生樓層破壞機制,這種破壞出現(xiàn)說明柱中存在簿弱環(huán)節(jié)(尤其是核芯區(qū)),在其它構件未充分發(fā)揮作用之前,結構已提前破壞。設計人員就是要盡量使建筑物達到整體破壞機制,但要使設計的建筑達到整體破壞是不容易的。首先地震作用是隨機的,其次建筑施工質量好壞、混凝土強度等級、鋼筋替代、配筋大小都會影響設計意圖。盡管如此,我們的責任和目的還是努力使結構達到理想的破壞機制。上圖是框架

3、結構、剪力墻結構、框架一剪力墻結構的理想破壞機制。下面分別對框架結構、剪力墻結構、框架一剪力墻結 構三種結構整體破壞機制介紹如下: 11框架結構 理想破壞機制如上圖1?？蚣茉诘卣鹆ψ饔孟率紫仍诹憾顺霈F(xiàn)塑性鉸,塑性鉸出現(xiàn)后,剛度明顯下降,自震周期加長,地震作用減小,受力狀態(tài)得以改善。如強震繼續(xù)作用,那么底層柱彎距增大,導致下部出現(xiàn)塑性鉸,結構進入運動狀態(tài),很可能房屋會倒塌。為避免這種情況的發(fā)生,提高柱底的結構可靠性,提高延性,推遲這一部位塑性鉸出現(xiàn),在市綜合技術大樓設計中,底層柱混凝土強度等級為C35,配筋基本按計算配置,柱底部在構造措施上加強,配筋率有所提高。 12剪力墻結構 剪力墻分為剪力墻

4、、聯(lián)肢剪力墻兩種。剪力墻剛度很大,抗彎和抗剪的強度設計是設計的主要目的。剪力墻塑化過程是在底部出現(xiàn)塑性鉸,因此設計應盡量提高這一部位的延性,對其抗彎、抗剪可靠性予以提高。為了不使塑性鉸在剪力墻底部發(fā)生,規(guī)范規(guī)定了提高彎距來計算抗彎和抗剪鋼筋。市綜合技術大樓剪力墻根據(jù)計算配筋只需14200,但為了加強底部我們按規(guī)范的構造要求加到了16200。聯(lián)肢剪力墻結構,塑化歷程是在連肢梁上出現(xiàn)塑性鉸,吸收地震能量,改變建筑物整體剛度,減小建筑物承受的地震作用,有強震繼續(xù)作用,會導致底部出現(xiàn)塑性鉸,建筑物的變形急劇增大并喪失穩(wěn)定。從剪力墻、聯(lián)肢剪力墻理想破壞機制看,設計的關鍵問題是底部的抗彎、抗剪強度,在設計

5、中提高這一部位的可靠性,注意延性設計,就可以保證建筑物在地震中的安全性。 13框架一剪力墻結構 其塑化歷程先在連肢梁中出現(xiàn)塑性鉸,后在剪力墻底部出現(xiàn)塑性鉸,再向后發(fā)展才是框架梁上,最后是柱底部出現(xiàn)塑性鉸。框架剛度較小,重點在延性設計;剪力墻剛度大,首先是強度設計,其次是延性設計。由上述可得出框架一剪力墻結構的設計首先是強度設計,其次是延性設計。市綜合技術大樓的設計就是按這一順序來進行的,首先滿足結構斷面尺寸,其次按計算配置鋼筋。 2抗震設計原則 21等強度與耗能設計原則 結構設計一定要避免設計不當,造成在地震力作用下部分主要構件破壞,或是整幢建筑物連續(xù)破壞的局面,故結構整體設計要注意加強薄弱部

6、位,盡量做到等強度。如角柱的配筋適當加強,防止角柱先破壞,以免引起其它部位的破壞。中心大樓合樓在設計中所有角柱都按計算的配筋增加了0.1%鋼筋,以避免在地震力作用下受扭而首先破壞。另一方面,還要考慮結構好的耗能系統(tǒng),耗能系統(tǒng)的作用主要是在強震下,使建筑物產(chǎn)生塑性變形,設計中在某些部位要人為地制造若干薄弱環(huán)節(jié),以便比較容易產(chǎn)生一些塑性鉸消耗大量的能量,增大結構的整體延性。 22結構延性設計原則 地震區(qū)搞設計必須對結構延性有清晰的概念。結構延性一般用延性系數(shù)來表示,它表示的是結構破壞變形(位移、轉角、曲率)與屈服變形Y的比值。即:u=u/y延性越大,則結構在強震下可忍受大的塑性變形而不致倒塌、破壞

7、,即結構延性好。通常,為保證結構有良好的抗震性能,一般要求>4?；炷裂有韵禂?shù)一般是12,提高混凝土強度等級,延性系數(shù)稍有增加,影響不大。鋼筋則不同,延性很好,級別低則延性好,鋼筋混凝土結構延性主要靠鋼筋延性來實現(xiàn),因此在鋼筋混凝土結構設計中應注意鋼筋級別、配筋率大小、構造措施等。 23強柱弱梁設計原則 這個原則在框架結構抗震設計中是很重要的原則,其目的是為了保證在強震下,框架結構的塑性鉸在梁上產(chǎn)生,而不發(fā)生在柱上。使結構在強震時能降低地震對結構的作用。增大結構延性,使框架產(chǎn)生塑性變形。假如不按這一原則設計,柱子會先產(chǎn)生塑性鉸,結構樓層破壞,導致建筑物倒塌。因此,應按規(guī)范要求采取必要的結

8、構措施,使粱先于柱產(chǎn)生塑性鉸。市綜合技術大樓考慮到這一原則,柱子軸壓比控制在0.50.8之間,梁配筋率不大于2.5%。 24充分考慮地震耦合作用 地震是非平穩(wěn)隨機過程,它對建筑物作用是綜合的,不是單一的,是水平,垂直、扭轉三個分量同時作用的,我們應充分考慮地震的耦合作用。地震耦合作用時,應考慮以下5個方面的內(nèi)容:地震作用的水平分量;地震作用的垂直分量;地震的扭轉分量;地震時的擺動作用;場地地面振動與建筑結構振動發(fā)生共振問題。我們用SAT程序計算時,根據(jù)建筑抗震設計規(guī)范、鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)程等相關規(guī)范,考慮到耦聯(lián)與不考慮耦聯(lián)地震力有所加大,同時中心大樓計算考慮了耦聯(lián)。 25三水準

9、設防原則 三水準設防的要求:“小震不壞、中震可修、大震不倒”。小震是指比基本地震烈度小l度左右的地震烈度,大震是指比基本地震烈度高l度左右的地震烈度。三水準設防原則是當今世界公認的結構抗震設計準則,也是我國抗震設計的指導思想之一。三水準具體內(nèi)容是: 第一水準:高層建筑在使用期間,對遭遇頻率較高,強度較低的地震時,結構應處于彈性狀態(tài),建筑物完好。對地震作用只考慮地震影響系數(shù),不考慮剛度折減,計算所得變形也不考慮塑性變形影響。第二水準:建筑物在基本烈度地震作用下,允許結構達到或超過屈服極限(鋼筋混凝土會產(chǎn)生裂縫),產(chǎn)生彈塑性變形,依靠結構塑性耗能能力,使結構得以保持穩(wěn)定,保存下來,經(jīng)過修復可使用,

10、結構的抗震設計應按變形要求進行。第三水準:在預先估計到的罕見地震作用下,結構進入彈塑性大變形狀態(tài),部分產(chǎn)生破壞,但應防止結構倒塌,避免危及生命安全。這一階段考慮防倒塌設計。 26建筑結構的自振周期 建筑結構自振周期是重要的動力特性,自振周期與很多因素有關,場地土類別、場地土類型、建筑結構基礎形式及埋深、建筑結構整體剛度等,但最主要的還是建筑結構本身剛度。在風荷載和小震作用下,其周期是不變或變化很小的。在強震作用下,自振周期就不是定量,而是一個變量。非承重結構發(fā)生破壞,承重結構產(chǎn)生塑性鉸并逐漸增多,剛度變小結構自振周期延長,地震作用隨之不斷減小。但在一些情況下,又表現(xiàn)與結構周期無關,如自振周期大

11、于3.0s或小于場地土的卓越周期時。這就是說不管哪類場地土,在地震作用下,建筑在地基上是做整體振動的,而剛度大,地震不參與建筑結構振動,只是結構本身在振動。市綜合技術大樓結構自振周期避開了場地卓越周期(0.169s0.171s),自振周期根據(jù)經(jīng)驗公式控制在0.08n0.1n(n為建筑物的層數(shù))秒這個范圍內(nèi),并且小于3秒,基本按上述條件做了控制。 3抗風設計原則 風作用是外界施加在建筑物上的作用,是從空中傳遞過來的,風作用使建筑物受到雙重作用:一方面風力使建筑物受到一個基本上比較穩(wěn)定的風壓力;另一方面風又使建筑物產(chǎn)生風力振動。風作用具有靜力和動力雙重性質,在建筑結構設計時我們應充分予以考慮,風作

12、用具有以下幾個特點: (1)風作用是施加在結構外表面上的荷載,其大小與建筑物的外形和尺寸有關,園形、正多邊形受到風力最小,對抗風有利,相反平面復雜風力較大,容易產(chǎn)生扭轉對抗風不利。隨著建筑物高度增加風力加大,建筑物上部風作用比下部的要大。 (2)對風作用來說,建筑物重量是次要因素,建筑物外表面積是主要因素。 (3)建筑結構自振越大,對抗風是不利的。 (4)與地震力比強風作用時間長,通?？沙掷m(xù)幾小時。 (5)風作用受周圍地形、地上建筑物和構筑物的強烈影響。 (6)風作用是很頻繁的,差不多每年都會有大風或臺風出現(xiàn)。從風作用特點可看出,只注重地震作用,而忽視風作用是不合理的,我們在設計中應兼顧兩者,

13、對風作用我們應采取以下措施來改善建筑物抗風的能力: (1)保證足夠的剛度及強度,承受風作用下產(chǎn)生的內(nèi)力,控制建筑物的位移。 (2)選擇合理的結構體系和建筑體型,園形、正多邊形平面可以減小風壓數(shù)值。 (3)盡量采用對稱的平面形狀和對稱的結構布置,以減小風力產(chǎn)生的扭轉作用影響。 (4)外墻、窗玻璃、女兒墻及其它周圍裝飾構件必須有足夠的強度,并有可靠的連接,防止產(chǎn)生建筑局部損壞。市綜合技術大樓抗風設計基本上是按照上述措施進行的,建筑平面為矩形,結構布置也是左右對稱的,質心和剛心基本重合。 4適宜剛度 建筑結構設計中,剛度的大小直接影響到結構設計的合理性。調(diào)整剛度中心是解決扭轉的有效途徑在大量的工程設

14、計實例中發(fā)現(xiàn)。 表1     注:計算采用SAT程序 對于高層建筑,即使結構布置是對稱的,由于質量分布很難做到均勻對稱,質心和剛心的分離是在所難免的。當建筑層數(shù)很多時,上部各層偏心引起的扭轉效應在下層的積累更對下部幾層不利。即使是很對稱的結構或正交結構,周期比也會不滿足規(guī)范。因此在結構布置時,除了要求各向對稱外,還應使結構具有較大的抗扭剛度。增加四周結構的剛度,在結構外圍增加墻體、減少核心簡的剛度、增加外圍連梁的高度等可以控制周期比,使結構的扭轉周期靠后,從而滿足規(guī)范要求。剛度確定后振動加速度應小于15%g(g為自由加速度),否則人會有嘔吐癥狀。另外,剛度決定的結構自振周期與場地的卓越周期應避開,以避免發(fā)生共振,造成建筑物破壞、倒塌。剛度大小基本上可從自振周期、總位移得到反應。周期小、位移小則剛度大,反之則剛度小。我們要確定一個適宜剛度,就要用位移、自振周期控制,要通過幾次或多次試算后方可得出一個適宜剛度。 5結束語 分析了高層建筑的建筑設計和結構設計相互協(xié)調(diào)的重要性和必要性。因此,筆者