摘要:概念设计是展现先进设计思想的关键,一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计,并能有正确意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。下面对近几年设计的高层建筑的适宜刚度、破坏机制、抗震、抗风四个方面的内容进行了简要的分析。
关键词:高层建筑；结构概念设计；设计原则
1掌握楼层结构的破坏机制和塑化过程
楼层破坏机制,整体破坏机制是建筑结构的两种破坏机制(如图)。
图1楼层破坏机制 图2整体破坏机制
设计中应尽量避免结构产生楼层破坏机制,这种破坏出现说明柱中存在簿弱环节(尤其是核芯区),在其它构件未充分发挥作用之前,结构已提前破坏。设计人员就是要尽量使建筑物达到整体破坏机制,但要使设计的建筑达到整体破坏是不容易的。首先地震作用是随机的,其次建筑施工质量好坏、混凝土强度等级、钢筋替代、配筋大小都会影响设计意图。尽管如此,我们的责任和目的还是努力使结构达到理想的破坏机制。上图是框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构的理想破坏机制。下面分别对框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结
构三种结构整体破坏机制介绍如下:
1．1框架结构
理想破坏机制如上图1。框架在地震力作用下首先在梁端出现塑性铰,塑性铰出现后,刚度明显下降,自震周期加长,地震作用减小,受力状态得以改善。如强震继续作用,那么底层柱弯距增大,导致下部出现塑性铰,结构进入运动状态,很可能房屋会倒塌。为避免这种情况的发生,提高柱底的结构可靠性,提高延性,推迟这一部位塑性铰出现,在市综合技术大楼设计中,底层柱混凝土强度等级为C35,配筋基本按计算配置,柱底部在构造措施上加强,配筋率有所提高。
1．2剪力墙结构
剪力墙分为剪力墙、联肢剪力墙两种。剪力墙刚度很大,抗弯和抗剪的强度设计是设计的主要目的。剪力墙塑化过程是在底部出现塑性铰,因此设计应尽量提高这一部位的延性,对其抗弯、抗剪可靠性予以提高。为了不使塑性铰在剪力墙底部发生,规范规定了提高弯距来计算抗弯和抗剪钢筋。市综合技术大楼剪力墙根据计算配筋只需Φ14@200,但为了加强底部我们按规范的构造要求加到了Φ16@200。联肢剪力墙结构,塑化历程是在连肢梁上出现塑性铰,吸收地震能量,改变建筑物整体刚度,减小建筑物承受的地震作用,有强震继续作用,会导致底部出现塑性铰,建筑物的变形急剧增大并丧失稳定。从剪力墙、联肢剪力墙理想破坏机制看,设计的关键问题是底部的抗弯、抗剪强度,在设计中提高这一部位的可靠性,注意延性设计,就可以保证建筑物在地震中的安全性。
1．3框架一剪力墙结构
其塑化历程先在连肢梁中出现塑性铰,后在剪力墙底部出现塑性铰,再向后发展才是框架梁上,最后是柱底部出现塑性铰。框架刚度较小,重点在延性设计;剪力墙刚度大,首先是强度设计,其次是延性设计。由上述可得出框架一剪力墙结构的设计首先是强度设计,其次是延性设计。市综合技术大楼的设计就是按这一顺序来进行的,首先满足结构断面尺寸,其次按计算配置钢筋。
2抗震设计原则
2．1等强度与耗能设计原则
结构设计一定要避免设计不当,造成在地震力作用下部分主要构件破坏,或是整幢建筑物连续破坏的局面,故结构整体设计要注意加强薄弱部位,尽量做到等强度。如角柱的配筋适当加强,防止角柱先破坏,以免引起其它部位的破坏。中心大楼合楼在设计中所有角柱都按计算的配筋增加了0.1%钢筋,以避免在地震力作用下受扭而首先破坏。另一方面,还要考虑结构好的耗能系统,耗能系统的作用主要是在强震下,使建筑物产生塑性变形,设计中在某些部位要人为地制造若干薄弱环节,以便比较容易产生一些塑性铰消耗大量的能量,增大结构的整体延性。
2．2结构延性设计原则
地震区搞设计必须对结构延性有清晰的概念。结构延性一般用延性系数来表示,它表示的是结构破坏变形△(位移、转角、曲率)与屈服变形△Y的比值。即:u=△u/△y延性越大,则结构在强震下可忍受大的塑性变形而不致倒塌、破坏,即结构延性好。通常,为保证结构有良好的抗震性能,一般要求>4。混凝土延性系数一般是1～2,提高混凝土强度等级,延性系数稍有增加,影响不大。钢筋则不同,延性很好,级别低则延性好,钢筋混凝土结构延性主要靠钢筋延性来实现,因此在钢筋混凝土结构设计中应注意钢筋级别、配筋率大小、构造措施等。
2．3强柱弱梁设计原则
这个原则在框架结构抗震设计中是很重要的原则,其目的是为了保证在强震下,框架结构的塑性铰在梁上产生,而不发生在柱上。使结构在强震时能降低地震对结构的作用。增大结构延性,使框架产生塑性变形。假如不按这一原则设计,柱子会先产生塑性铰,结构楼层破坏,导致建筑物倒塌。因此,应按规范要求采取必要的结构措施,使粱先于柱产生塑性铰。市综合技术大楼考虑到这一原则,柱子轴压比控制在0.5～0.8之间,梁配筋率不大于2.5%。
2．4充分考虑地震耦合作用
地震是非平稳随机过程,它对建筑物作用是综合的,不是单一的,是水平,垂直、扭转三个分量同时作用的,我们应充分考虑地震的耦合作用。地震耦合作用时,应考虑以下5个方面的内容:①地震作用的水平分量;②地震作用的垂直分量;③地震的扭转分量;④地震时的摆动作用;⑤场地地面振动与建筑结构振动发生共振问题。我们用SAT程序计算时,根据《建筑抗震设计规范》、《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》等相关规范,考虑到耦联与不考虑耦联地震力有所加大,同时中心大楼计算考虑了耦联。
2．5三水准设防原则
三水准设防的要求:“小震不坏、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。三水准设防原则是当今世界公认的结构抗震设计准则,也是我国抗震设计的指导思想之一。三水准具体内容是:
第一水准:高层建筑在使用期间,对遭遇频率较高,强度较低的地震时,结构应处于弹性状态,建筑物完好。对地震作用只考虑地震影响系数,不考虑刚度折减,计算所得变形也不考虑塑性变形影响。第二水准:建筑物在基本烈度地震作用下,允许结构达到或超过屈服极限(钢筋混凝土会产生裂缝),产生弹塑性变形,依靠结构塑性耗能能力,使结构得以保持稳定,保存下来,经过修复可使用,结构的抗震设计应按变形要求进行。第三水准:在预先估计到的罕见地震作用下,结构进入弹塑性大变形状态,部分产生破坏,但应防止结构倒塌,避免危及生命安全。这一阶段考虑防倒塌设计。
2．6建筑结构的自振周期
建筑结构自振周期是重要的动力特性,自振周期与很多因素有关,场地土类别、场地土类型、建筑结构基础形式及埋深、建筑结构整体刚度等,但最主要的还是建筑结构本身刚度。在风荷载和小震作用下,其周期是不变或变化很小的。在强震作用下,自振周期就不是定量,而是一个变量。非承重结构发生破坏,承重结构产生塑性铰并逐渐增多,刚度变小结构自振周期延长,地震作用随之不断减小。但在一些情况下,又表现与结构周期无关,如自振周期大于3.0s或小于场地土的卓越周期时。这就是说不管哪类场地土,在地震作用下,建筑在地基上是做整体振动的,而刚度大,地震不参与建筑结构振动,只是结构本身在振动。市综合技术大楼结构自振周期避开了场地卓越周期(0.169s～0.171s),自振周期根据经验公式控制在0.08n～0.1n(n为建筑物的层数)秒这个范围内,并且小于3秒,基本按上述条件做了控制。
3抗风设计原则
风作用是外界施加在建筑物上的作用,是从空中传递过来的,风作用使建筑物受到双重作用:一方面风力使建筑物受到一个基本上比较稳定的风压力;另一方面风又使建筑物产生风力振动。风作用具有静力和动力双重性质,在建筑结构设计时我们应充分予以考虑,风作用具有以下几个特点:
(1)风作用是施加在结构外表面上的荷载,其大小与建筑物的外形和尺寸有关,园形、正多边形受到风力最小,对抗风有利,相反平面复杂风力较大,容易产生扭转对抗风不利。随着建筑物高度增加风力加大,建筑物上部风作用比下部的要大。
(2)对风作用来说,建筑物重量是次要因素,建筑物外表面积是主要因素。
(3)建筑结构自振越大,对抗风是不利的。
(4)与地震力比强风作用时间长,通常可持续几小时。
(5)风作用受周围地形、地上建筑物和构筑物的强烈影响。
(6)风作用是很频繁的,差不多每年都会有大风或台风出现。从风作用特点可看出,只注重地震作用,而忽视风作用是不合理的,我们在设计中应兼顾两者,对风作用我们应采取以下措施来改善建筑物抗风的能力:
(1)保证足够的刚度及强度,承受风作用下产生的内力,控制建筑物的位移。
(2)选择合理的结构体系和建筑体型,园形、正多边形平面可以减小风压数值。
(3)尽量采用对称的平面形状和对称的结构布置,以减小风力产生的扭转作用影响。
(4)外墙、窗玻璃、女儿墙及其它周围装饰构件必须有足够的强度,并有可靠的连接,防止产生建筑局部损坏。市综合技术大楼抗风设计基本上是按照上述措施进行的,建筑平面为矩形,结构布置也是左右对称的,质心和刚心基本重合。
4适宜刚度
建筑结构设计中,刚度的大小直接影响到结构设计的合理性。调整刚度中心是解决扭转的有效途径在大量的工程设计实例中发现。
表1
注:计算采用SAT程序
对于高层建筑,即使结构布置是对称的,由于质量分布很难做到均匀对称,质心和刚心的分离是在所难免的。当建筑层数很多时,上部各层偏心引起的扭转效应在下层的积累更对下部几层不利。即使是很对称的结构或正交结构,周期比也会不满足规范。因此在结构布置时,除了要求各向对称外,还应使结构具有较大的抗扭刚度。增加四周结构的刚度,在结构外围增加墙体、减少核心简的刚度、增加外围连梁的高度等可以控制周期比,使结构的扭转周期靠后,从而满足规范要求。刚度确定后振动加速度应小于15%g(g为自由加速度),否则人会有呕吐症状。另外,刚度决定的结构自振周期与场地的卓越周期应避开,以避免发生共振,造成建筑物破坏、倒塌。刚度大小基本上可从自振周期、总位移得到反应。周期小、位移小则刚度大,反之则刚度小。我们要确定一个适宜刚度,就要用位移、自振周期控制,要通过几次或多次试算后方可得出一个适宜刚度。
5结束语
分析了高层建筑的建筑设计和结构设计相互协调的重要性和必要性。因此,笔者认为作为建筑工作者,在今后高层建筑的研究与设计中,应从宏观的角度出发,采用由大到小、自顶向下的原则选定结构型式,使所选结构型式的设计在适当条件下能使建筑具有形体美和环境美,且满足地形、地质、材料、施工等条件,综合处理好功能、技术、艺术、经济等方面的矛盾。努力保证结构设计具有必要的安全可行性,并及时反馈信息,使结构方案更趋于合理,对此我们应该提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性,推动结构设计的发展。让业主住上更加舒适、安全、经济、美观的高层建筑。
