浅谈高层建筑结构设计

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　　摘要:笔者结合了多年工作积累的经验，就混凝土高层建筑结构设计进行了全面的分析。
　　关键词:延性；框架柱截面；剪力墙；女儿墙;地下室外墙;超长结构
　　1提高结构重要部位的延性
　　要使高层建筑在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力,最理想的办法是使结构中所有的构件都具有很高的延性。然而在实际工程中很难完全做到这一点,比较经济的办法是有选择有重点的提高结构中重要构件或某些构件中关键部位的延性。
　　在结构竖向,对于刚度沿高度均匀分布的、体形较简单的高层建筑,应着重提高底层构件的延性；对于大底盘高层建筑,应着重提高主楼与裙房顶面相衔接的楼层中构件的延性；对于不规则立面的高层建筑,应着重加强体形突变处楼层构件的延性；对框支结构,应着重提高底层或底部几层框架的延性。
　　在结构平面位置上,应该着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处构件的延性；对偏心结构,应加大房屋周边特别是刚度较弱一侧构件的延性；对具有多道抗震防线抗侧力构件,应着重提高第一道抗震防线构件的延性。
　　2关于框架柱截面大小的选择
　　2.1 对于框架柱来讲,轴压比越小,在往复水平荷载作用下其滞回曲线越丰满,即其耗能能力越大、延性越好；相反对于短柱,即柱净高与截面高度之比小于4 的柱,在往复水平荷载作用下其滞回曲线呈较瘦的反S 形,耗能能力降低、延性较差,呈剪切破坏。对高层建筑的底部柱而言,为了满足轴压比限值的要求,故将柱截面取得很大,随之而来,由于层高的限制,就使得框架柱成为短柱。这就带来一个问题,到底是柱截面大好还是柱截面小好? 在实际工程设计中,常采用以下几种措施:
　　（1）框架柱的截面首先要满足规范轴压比的要求,这对于保证结构的竖向承载力、底板的抗冲切承载力有很大的好处,对于形成的短柱则通过增加体积配箍率及沿柱身全高加密箍筋来提高延性。
　　（2）采用高强混凝土、钢管混凝土柱或劲钢混凝土柱。
　　（3）使柱的轴压比满足规范限制要求即可,不能使其过小。另外,对于底层框架柱来讲,柱的抗弯刚度远远大于梁的抗弯刚度,梁板对柱的约束程度相对较小,因此底层柱很有可能是长柱并非短柱,所以采取上述措施,并符合强柱弱梁、强剪弱弯的原则后,底层框架柱在地震时是能够做到不发生剪切破坏的。
　　2.2 同一楼层中各柱要尽量等刚度,即截面差异不要太大。在柱截面选择时,有的是根据柱负荷面积进行的,中柱截面最大、边柱次之,而角柱最小,这样在同一楼层特别是在建筑底部会出现长短柱共存的现象。
　　地震震害表明,长短柱共存时,很容易因构件刚度及受力大小悬殊而各个击破,先后依次破坏。就结构平面布置而言,对板式建筑,尽量避免三排柱结构方案,因为这样布置的结果使中柱的轴力大于或等于边柱轴力的2 倍或更多,若处于同一轴压比水平,中柱截面很大,边柱截面却很小,从而刚度不匹配；要使刚度匹配,则要增加边柱的截面及配筋,从而造成经济上的浪费,另外由于中柱轴力过大,使得基础底板厚度增加,造成更大的浪费。
　　2.3 在框架体系或框筒体系中,角柱的受力要比其它柱差。这是因为:
　　（1）在双向刚接框架中,角柱沿纵横两个方向都是单边有梁,即在重力荷载作用下,角柱已处于双向受弯状态；
　　（2）在高层建筑中,水平荷载引起较大的倾覆力矩,框架整体弯曲时,使角柱所受的附加轴力最大；
　　（3）地震动的斜向或双向输入,使角柱双向受弯或双向受剪,由此引起的双向偏心将与重力荷载作用下的双向偏心叠加,使其双向偏心值很大,角柱处于更加危险状态；
　　（4）结构的质心与刚心不可能完全重合,在结构的扭转振动过程中,角柱的相对侧移最大,即扭转也使角柱处于不利状态,因此为了防止角柱的斜向压弯及扭转破坏,不能使柱截面太小,同时要特别注意箍筋的加密,增加箍筋对受压区混凝土的约束作用。
　　3 剪力墙设计中需要注意的几个问题
　　3.1 钢筋混凝土抗震墙的延性和破坏形态与墙体的高宽比和超静定次数密切相关。
　　3.1.1 为了提高抗震墙的变形能力,避免发生剪切破坏,对于一道截面较长的抗震墙,应该利用洞口设置弱连梁,使墙体分为小开口墙、多肢墙或单肢墙,并使每个墙段的高宽比不小于2。所谓弱连梁,是指在地震作用下各层连梁的总约束弯矩不大于该墙段总地震弯矩的20 %；连梁不能太强,以免水平地震作用下某个墙肢出现全截面受拉,这是比较危险的。但是,考虑到耗能,连梁又不能太弱,连梁弱到成为一般小梁时,墙肢就变成单肢墙,而单肢墙的延性很差,仅为多肢墙的一半,且单肢墙仅具有一道抗震防线,超静定次数少,在地震作用下是很不利的。目前,有许多设计人员将结构中门洞连梁、窗洞连梁都改为截面高度极小的二力杆件,这对结构抗震是很不好的。
　　3.1.2 在实际设计中,对连梁的刚度都要进行折减,这是因为剪力墙的刚度一般都很大,在水平力作用下,剪力墙中的连梁会因为很大的内力而超过截面允许值,可靠的办法是让这些连梁先屈服,要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏,连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求,对连梁的刚度进行折减实际上就是降低其抗弯能力。
　　3.2 规范规定,剪力墙在端部应设置暗柱、端柱等边缘构件。这些边缘构件的作用相当于砖混结构的约束柱,当结构的刚度较小,地震作用下层间位移和顶点位移较大时,边缘构件所起的作用也就越大,此时暗柱的截面和配筋就应加大。如果剪力墙的总截面面积与楼层面积之比值较大时,且房屋高度较小、楼座面积较大时,墙端部的暗柱面积和配筋量就不需按规范要求设置那么多。1985 年智利大地震时,有300 多栋钢筋混凝土剪力墙结构的破坏较轻,但它们的墙端并无较好的约束。这就是最好的证明。
　　4屋面高大女儿墙的设计方法
　　对于高层建筑,为了照顾立面效果,屋顶女儿墙往往做的很高,其荷载效应对主体结构的影响越来越明显,这一点常常被设计者所忽略。
　　在设计上,女儿墙无法直接参与主体结构的分析,所以在计算时往往仅考虑女儿墙的自重,当女儿墙较低时,这种方法是符合精度要求的,不会影响结构的安全；但是,随着女儿墙高度的增加,其地震荷载和风荷载效应也在增加,对主体结构的影响越来越大。因此,当女儿墙较高时,要仔细计算女儿墙所受水平荷载的情况。由于其侧向刚度较小,女儿墙一般采用钢筋混凝土材料,配筋计算可按支承于屋顶的悬臂板来考虑,且应配双层钢筋。
　　为保证屋面女儿墙与主体结构的可靠连接,屋面女儿墙所在的框架梁或墙必须具有足够的抗弯、抗扭刚度,即对框架梁要根据女儿墙的底部计算弯矩配置受扭钢筋。
　　对女儿墙的计算,主要应该验算在正常使用情况下由风荷载引起的内力并进行截面配筋。有人认为应进行地震作用计算,并将其地震作用乘以放大系数3 来进行内力、配筋计算,认为一般情况此法没有必要；因为女儿墙在结构中毕竟是次要构件,只要通过合理的构造措施,来保证发生强烈地震时,女儿墙不致于倒塌掉下来伤人即可。
　　5地下室外墙的设计方法
　　在一般情况下,地下室外墙所承受的主要荷载为结构自重、地面活载、侧向土压力等。在我国已建成的高层建筑中,地下室外墙的墙厚和配筋相差很大,墙厚在200 mm～700 mm 之间,配筋在565 mm2～4 909 mm2 之间,可见在结构可靠与经济之间选择一个合理的平衡,始终是一个值得探讨的课题。地下室外墙的受力状况与上部结构类型及平面布置有很大关系。当上部结构为框架结构时,上部填充砌体及±0. 00 楼板对地下室外墙顶端的约束程度很小,此时可假定墙体顶端为铰接。当上部结构为钢筋混凝土剪力墙结构时,剪力墙及±0. 00 楼板对地下室外墙顶部的约束程度很大,此时可假定墙壁顶端为固接。基础的刚度一般远大于墙体刚度,所以墙的下端一般视为固定端。在实际情况中,考虑到边界条件不十分明确,为安全起见,可对同一边界采用两种不同的假设,如按端部固定计算墙端弯矩,按端部铰接计算墙跨中弯矩。一般来讲,当上部结构为框架时,地下室外墙的墙厚和配筋要大些；当上部结构为剪力墙时,由于正压应力的存在,墙体厚度和配筋相对要小些。计算表明,外墙壁配筋满足裂缝宽度要求后,一般能同时满足承载力计算和构造要求；而当外墙配筋满足承载力计算时,却不一定满足最大裂缝宽度允许值要求。另外,外墙厚度还要考虑防水要求,不应小于250 mm ,混凝土的抗渗等级不应小于P6 (0. 6 MPa) 。
　　6 超长结构的温度变形和混凝土干缩变形
　　钢筋混凝土结构规范规定,在室内条件下现浇框架结构伸缩缝的最大间距为55 m , 现浇剪力墙结构伸缩缝的最大间距为45 m；在露天条件下,结构伸缩缝的间距还要小,这样规定的目的就是解决两个方面的问题:
　　（1）现浇混凝土在凝固硬化时会产生收缩应力,以致在结构中形成干缩裂缝,结构越长,干缩的影响越大。
　　（2）结构在使用其间必然要经过春夏秋冬季节的变化,大气温度的变化会使结构产生热胀冷缩,从而在结构中造成温度裂缝,同样,结构越长,温度的影响越大。但是,在实际工程中超长建筑物常常出现。如果按规定去设伸缩缝,就会出现双墙、双柱、双梁,给建筑物的立面处理、防水构造带来很大的困难。
　　为了解决超长结构混凝土干缩裂缝的问题,目前常常采用的一种办法是设置混凝土后浇带,即将较大的楼板面积划分成小的区格,首先用混凝土浇筑小的区格,当小区格混凝土干缩变形大部分完成后,再浇筑区格之间的预留带。这样在很大程度上减少了结构的干缩裂缝。
　　但是,后浇带不能代替结构的温度伸缩缝。因为后浇带混凝土硬化后,楼板连接成一个较长的整体,后浇带的作用不再存在。
　　有资料表明,在温差作用下,结构的应力变化规律如下:1) 屋面或屋面下1 层～2 层应力较大,以下各层迅速递减；2) 同一层楼板处中间应力大,两边应力小；3) 对剪力墙来讲则是两端应力大,中间应力小；4) 对于山墙来讲顶部几层的拉应力大；5) 结构刚度突变的一层应力大,比如结构转换层上面的那一层。
　　根据以上温度应力变化规律,对于超长结构就可以采取以下措施:
　　（1）加强屋面、外墙面的保温隔热措施,减少阳光对结构的直接辐射；
　　（2）对温度应力较大的部位加强配筋,温度钢筋要设置的细而密；
　　（3）对屋顶外露挑檐板、女儿墙等构件,每隔15 m左右设置一道缝,缝宽20 mm ,缝内纵向钢筋可以不断开。
　　总之，由于目前我国高层建筑发展迅速；结构设计中经常遇到各种问题，需要我们设计人员积累经验，利用正确概念进行设计。

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