论述某高层建筑结构概念设计与抗震设计原则
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)。
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。
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。