鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷飛速發(fā)展，高層建筑日益增多，高層建筑結(jié)構(gòu)的合理及優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并對鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中幾個關(guān)于概念設(shè)計(jì)方面的問題進(jìn)行了探討。

TU497文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1高層建筑結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性

高層建筑發(fā)展至今，在其主體結(jié)構(gòu)體系、樓屋蓋結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)材料等方面均具有多樣性。結(jié)構(gòu)體系是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最核心的內(nèi)容，目前主要的結(jié)構(gòu)體系有：框架、框架-剪力墻、剪力墻、筒體、筒中筒、束筒、筒框（筒體稀柱框架結(jié)構(gòu)的簡稱）、帶支撐或帶鋼臂（剛性加強(qiáng)層的簡稱）的筒框、巨型支撐等等。高層建筑的樓屋蓋結(jié)構(gòu)體系主要包括鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的各類梁板體系、無梁樓蓋體系、鋼結(jié)構(gòu)的鋼梁、混凝土組合樓板體系。適用于高層建筑結(jié)構(gòu)的材料同樣比較多樣，主要有鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、鋼及鋼混凝土、鋼筋混凝土的組合。

除了結(jié)構(gòu)自身的發(fā)展，由于建筑領(lǐng)域的發(fā)展，其對功能、空間、造型的需求不斷提升，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性陡然而增。例如下部商業(yè)空間、上部住宅公寓的商住樓，必然產(chǎn)生主體結(jié)構(gòu)由上部剪力墻結(jié)構(gòu)到下部筒體框架或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換；而在一些高層辦公樓、高層酒店的建筑中，有時需要幾層通高的室內(nèi)綠化空間，相應(yīng)樓蓋被抽空，使剛性樓蓋假定難以實(shí)現(xiàn)，更有近年來一些連體建筑的出現(xiàn)，都使結(jié)構(gòu)受力特性變得相當(dāng)復(fù)雜；另外高層建筑的立面體型的豐富變化，包括退臺、部分切塊、挖洞、尖塔、懸掛、大懸臂等造型需求，使原本方匣子落地、結(jié)構(gòu)剛度沿豎向均勻變化的普通高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨很大挑戰(zhàn)。

1.2高層建筑結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)成

一個優(yōu)良的高層建筑結(jié)構(gòu)主要取決于以下幾個方面：結(jié)構(gòu)的均勻?qū)ΨQ、荷載的傳力直接、結(jié)構(gòu)的合理剛度以及與建筑巧妙結(jié)合。其中結(jié)構(gòu)的均勻?qū)ΨQ最為關(guān)鍵，其最終目的就是力求結(jié)構(gòu)的剛度在平面正交坐標(biāo)系上沿兩個主軸方向、在同一個主軸上各個片區(qū)、沿結(jié)構(gòu)豎向、以及在極坐標(biāo)系上沿中央核心的周圍，都能盡量均勻布置或變化，不要產(chǎn)生突變。實(shí)際的地震作用、風(fēng)荷載具有任意的方向性，結(jié)構(gòu)的均勻?qū)ΨQ使結(jié)構(gòu)不存在特別薄弱的位置，不會在受荷時成為短板首先受到破壞而引起整體破壞。

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，歸根結(jié)底，要明確把握的核心點(diǎn)就是均勻性。要力求使各類高層建筑結(jié)構(gòu)中各個構(gòu)件在重力荷載、水平荷載及其他非荷載效應(yīng)下受力都比較均勻，使之始終都能處于良好的工作狀態(tài)，都能充分發(fā)揮作用，達(dá)到高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)有效合理安全的目的。

2高層建筑結(jié)構(gòu)水平荷載下的側(cè)移限值

高層建筑結(jié)構(gòu)水平荷載作用下的側(cè)移控制極其重要。這主要有以下三個方面的原因：

（1）高層建筑結(jié)構(gòu)水平荷載作用下側(cè)移過大，將容易導(dǎo)致建筑室內(nèi)裝修、室內(nèi)幕墻等的裂縫破壞。

（2）高層建筑結(jié)構(gòu)水平荷載作用下側(cè)移過大，意味著結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度偏小，水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力偏大。而在目前規(guī)范體系下，水平荷載下的結(jié)構(gòu)側(cè)移完全是人為的靜力計(jì)算結(jié)果，實(shí)際的風(fēng)、地震都是復(fù)雜的動力荷載，隨機(jī)性很大。當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度偏小，結(jié)構(gòu)內(nèi)力偏大時，風(fēng)作用下極易產(chǎn)生過大的風(fēng)振，影響人在建筑物內(nèi)的正常工作生活；地震作用下，結(jié)構(gòu)延性差，容易造成災(zāi)難性破壞。

（3）高層建筑結(jié)構(gòu)水平荷載作用下側(cè)移過大，將會產(chǎn)生較大的p-Δ效應(yīng)，即重力荷載將產(chǎn)生附加傾覆彎矩，加大水平荷載的側(cè)移效應(yīng)，進(jìn)而有可能造成結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和破壞。

所以，一幢高層建筑結(jié)構(gòu)的可靠安全與否，控制水平荷載作用下的頂點(diǎn)水平位移及最大層間相對水平位移極其重要。水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移及最大層間相對水平位移的大小，是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個重要指標(biāo)?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中3.7.3條給出了鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)層間最大相對水平位移的限制條件。

3高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定

高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，由于建筑物的高度和高寬比的增加，由此產(chǎn)生的重力二階效應(yīng)不可忽視。所謂重力二階效應(yīng)，一般包括兩部分：一是在于構(gòu)件自身撓曲引起的附加重力效應(yīng)，即p-δ效應(yīng)；二是結(jié)構(gòu)在水平風(fēng)荷載或地震作用下產(chǎn)生側(cè)移變位后，重力荷載由于該側(cè)移而引起的附加效應(yīng)，即重力p-Δ效應(yīng)。而高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定設(shè)計(jì)，主要是控制p-Δ效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能降低的影響以及由此可能引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件失穩(wěn)。

在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中5.4.4條已經(jīng)明確，當(dāng)彎剪型結(jié)構(gòu)剛重比小于1.4、剪切型結(jié)構(gòu)剛重比小于10時，會導(dǎo)致p-Δ效應(yīng)較快增長，對結(jié)構(gòu)是不安全的，是剛重比的下限。而在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)多數(shù)能滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中5.4.1條的規(guī)定，此時在彈性計(jì)算分析時可不考慮重力二階效應(yīng)的不利影響。但是，結(jié)構(gòu)滿足位移限值并不一定都能滿足穩(wěn)定設(shè)計(jì)對剛重比的控制值，特別是當(dāng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平荷載較小時，結(jié)構(gòu)剛度雖然較低，但結(jié)構(gòu)的計(jì)算位移仍能滿足位移限值要求，然而，穩(wěn)定設(shè)計(jì)中剛度的要求與水平荷載的大小是無關(guān)的。

4高層建筑結(jié)構(gòu)承載力和延性的控制

高層建筑豎向構(gòu)件的軸壓比控制、各類構(gòu)件的剪壓比控制、結(jié)構(gòu)采用相應(yīng)的抗震等級、以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件合適的含鋼率，是保證整個高層建筑結(jié)構(gòu)承載力和延性的關(guān)鍵因素。關(guān)于前三點(diǎn)，在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中已有相應(yīng)闡述，而結(jié)構(gòu)構(gòu)件合適的含鋼率，是個人認(rèn)為控制高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力、延性、剛度及裂縫使之正常工作的另一個極其重要的設(shè)計(jì)原則和手段。

盡管結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件技術(shù)不斷發(fā)展，計(jì)算精度不斷提高，但是實(shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)十分復(fù)雜，計(jì)算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與實(shí)際的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不可避免地總存在著一定的差距，如若無視這種實(shí)際存在的差距，僅按電算模擬結(jié)果設(shè)計(jì)，將必然對結(jié)構(gòu)造成無法忽視的隱患。實(shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)，尤其是鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)，它的工作狀態(tài)的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下三個方面：

（1）高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度構(gòu)成、荷載（重力荷載）形成是一個隨施工方法步驟變化而變化的復(fù)雜過程。到目前為止，世界各國還沒有較適宜的高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件來模擬、全面準(zhǔn)確反映這個實(shí)際施工全過程。

（2）鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜?；炷潦且环N彈塑性材料，且其彈塑性性能隨混凝土施工工藝方法不同而有所不同；即使在低應(yīng)力、小應(yīng)變情況下，混凝土仍具有其固有的彈塑性性能。但到目前為止，世界各國還沒有較全面準(zhǔn)確反映混凝土彈塑性性能的可供實(shí)際應(yīng)用的高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件。因此，姑且不論大震下結(jié)構(gòu)進(jìn)入高應(yīng)力、大應(yīng)變彈塑性狀態(tài)時的復(fù)雜性，即使重力荷載、風(fēng)荷載、小震水平作用下，鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算內(nèi)力與實(shí)際內(nèi)力也有一定的差異。

（3）非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對結(jié)構(gòu)剛度的影響十分復(fù)雜，它將直接影響荷載尤其是地震作用的大小、分布；溫差變化、混凝土收縮、徐變等非荷載效應(yīng)，對高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也有一定影響。

（4）從包括5.12汶川地震在內(nèi)的多次地震震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，整澆鋼筋混凝土多、高層建筑結(jié)構(gòu)在大震作用下破壞受損乃至倒塌的主要表現(xiàn)是柱、墻脆性剪切或壓屈破壞，與此同時，整澆鋼筋混凝土樓蓋框架梁未見正截面裂縫鋼筋屈服，未形成塑性鉸。造成這些震害的主要原因可分析歸結(jié)為：整澆鋼筋混凝土樓蓋巨大的“卸荷”、“增強(qiáng)”效應(yīng)以及豎向構(gòu)件極限承載能力、延性的相對不足?！靶逗伞奔从捎谡麧蹭摻罨炷翗前迕鎯?nèi)外剛度的客觀存在，重力荷載作用下，與樓板相連的樓蓋梁、框架梁水平構(gòu)件支座彎矩較桿系模型計(jì)算結(jié)果大幅下降，從而使按桿系模型設(shè)計(jì)的框架梁支座受彎承載能力有較大儲備；“增強(qiáng)”即由于整澆鋼筋混凝土樓板面內(nèi)外剛度的客觀存在，地震作用下，樓蓋框架梁、連梁水平構(gòu)件與相連樓板共同提供的實(shí)際承載能力較按桿系模型設(shè)計(jì)的框架梁、連梁支座受彎承載能力有較大提高。

因此，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該建立這樣一個概念：在力求結(jié)構(gòu)計(jì)算盡量全面準(zhǔn)確符合實(shí)際工作狀態(tài)的同時，要給結(jié)構(gòu)留有一定的安全度，而其豎向構(gòu)件的安全度控制更要適當(dāng)從嚴(yán)。

5結(jié)語

鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個長期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過程，任何在這過程中的遺漏或失誤都有可能給整個結(jié)構(gòu)留下不足之處，而如果結(jié)構(gòu)工程師在概念設(shè)計(jì)方面有所欠缺的話，則更會使整個建筑結(jié)構(gòu)難以達(dá)到預(yù)期的結(jié)構(gòu)性能，事倍功半，甚至留下后期難以彌補(bǔ)的隱患。因此，整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中都應(yīng)該貫徹概念設(shè)計(jì)，在其指導(dǎo)下，根據(jù)合理的電算結(jié)果，認(rèn)真分析，不斷優(yōu)化，最終達(dá)到滿意的設(shè)計(jì)成果。

[1]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-2010.北京：