浅谈结构设计的几个问题

　　[摘要]结构设计中相当部分构件的设置，规范仅给出了最低限值或建议取值，实际设计过程中各人的理解不同可能对整个设计带来相当大的区别。还有部分是属于概念设计的范畴，尤其值得我们一起探讨。
　　[关键词]结构设计；水平力；扭转
　　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。另一方面由于轻质高强材料的开发及新的设计计算理论的发展,抗风和抗震理论的不断完善,加之新的施工技术和设备的不断涌现,特别是计算机的普及和应用以及结构分析手段的不断提高,为迅速发展高层建筑提供了必要的技术条件。本文对高层建筑结构设计中值得重视的几个问题进行了探讨,仅供参考。
　　高层建筑结构设计的特点
　　高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较,结构专业在各专业中占有更重要的位置,不同结构体系的选择,直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有:
　　(一)水平力是设计主要因素
　　在低层和多层房屋结构中,往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中,尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响,但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与建筑高度的一次方成正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力,是与建筑高度的两次方成正比。另一方面,对一定高度建筑来说,竖向荷载大体上是定值,而作为水平荷载的风荷载和地震作用,其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。
　　(二)侧移成为控制指标
　　与低层或多层建筑不同,结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加,水平荷载下结构的侧向变形迅速增大,与建筑高度H的4次方成正比(△=qH4ö8EI)。另外,高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大,在设计中不仅要求结构具有足够的强度,还要求具有足够的抗推刚度,使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内,否则会产生以下情况:
　　1.因侧移产生较大的附加内力,尤其是竖向构件,当侧向位移增大时,偏心加剧,当产生的附加内力值超过一定数值时,将会导致房屋侧塌。
　　2.使居住人员感到不适或惊慌。
　　3.使填充墙或建筑装饰开裂或损坏,使机电设备管道损坏,使电梯轨道变型造成不能正常运行。
　　4.使主体结构构件出现大裂缝,甚至损坏。
　　(三)减轻高层建筑自重比多层建筑更为重要
　　高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑,如果在同样地基或桩基的情况下,减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施,可以多建层数,这在软弱土层有突出的经济效益。地震效应与建筑的重量成正比,减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑重量大了,不仅作用于结构上的地震剪力大,还由于重心高地震作用倾覆力矩大,对竖向构件产生很大的附加轴力,从而造成附加弯矩更大。
　　(四)轴向变形不容忽视
　　采用框架体系和框架——剪力墙体系的高层建筑中,框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力,中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时,此种轴向变形的差异将会达到较大的数值,其后果相当于连续梁中间支座沉陷,从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。
　　高层建筑结构设计的几个问题
　　(一)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。
　　(二)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。
　　(三)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:合理控制结构的自振周期;控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。
　　(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=(0.1～0.15)N
　　框—剪、框筒结构:T1=(0.08～0.12)N
　　剪力墙、筒中筒结构:T1=(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=(1ö3～1ö5)T1;第三周期:T3=(1ö5～1ö7)T1。
　　(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)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。
　　(四)位移限值、剪重比及单位面积重度
　　(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。
　　(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)K=VEKöG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C0=GöA(kNöm2)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在10～18kNöm2之间,除个别较特别的以外,多数在15kNöm2左右。
　　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。