談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的分析判斷

1、談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的分析判斷摘要:本文借助相關(guān)規(guī)范規(guī)程及資料從理論按結(jié)構(gòu)整體和局部?jī)煞矫嫒胬眄樃邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果所需考慮的內(nèi)容、注意事項(xiàng)及其內(nèi)在影響聯(lián)系,以期提高對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全面準(zhǔn)確迅速的把握能力。關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)普遍應(yīng)用;計(jì)算結(jié)果;分析判斷;整體性指標(biāo);工程經(jīng)驗(yàn)性參考指標(biāo);規(guī)范明確規(guī)定的結(jié)構(gòu)量化指標(biāo);結(jié)構(gòu)局部分析; 重視概念設(shè)計(jì);安全經(jīng)濟(jì)適用合理。隨著計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用,運(yùn)算能力運(yùn)算速度的不斷提高,使高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)更安全更合理更經(jīng)濟(jì)成為可能。但是高層建筑結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜,構(gòu)件多,計(jì)算數(shù)據(jù)輸入輸出量都非常大,如果不顧計(jì)算程序軟件適用條件范圍及假定,或計(jì)算輸入失誤錯(cuò)誤,或?qū)τ?jì)

2、算結(jié)果的合理經(jīng)濟(jì)與可靠性缺乏以可靠工程經(jīng)驗(yàn)(自己的或別人的、相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備(尤其是力學(xué)知識(shí),地震震害、科學(xué)試驗(yàn)成果、相關(guān)概念設(shè)計(jì)知識(shí)為基礎(chǔ)的判斷力,又缺乏對(duì)計(jì)算程序及計(jì)算過程進(jìn)行盡可能地深入了解把握而輕率套用、濫用計(jì)算機(jī),那將會(huì)使計(jì)算結(jié)果有可能不準(zhǔn)確甚至可能錯(cuò)誤,用之于實(shí)際工程將可能遺留隱患甚至造成災(zāi)難性后果,因此必須對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行深入學(xué)習(xí),選用計(jì)算軟件必須是合適恰當(dāng)?shù)?計(jì)算數(shù)據(jù)輸入時(shí)必須認(rèn)真仔細(xì)反復(fù)核對(duì)確保無誤并根據(jù)計(jì)算結(jié)果反復(fù)調(diào)整直至滿足要求,對(duì)輸出計(jì)算結(jié)果的可靠性合理性高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者依據(jù)建筑使用要求、各種計(jì)算手冊(cè)上推薦的試算方法及各種規(guī)范手冊(cè)構(gòu)造措施要求得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初始截面尺寸

3、和布置后通過空間三維分析或協(xié)調(diào)工作進(jìn)行計(jì)算,得出一系列相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。對(duì)這些計(jì)算結(jié)果的分析,首先從大量工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)規(guī)范規(guī)程要求、結(jié)構(gòu)總體受力狀態(tài)出發(fā),進(jìn)行計(jì)算結(jié)果總的判斷、調(diào)整,確認(rèn)其可靠合理,然后再對(duì)結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行詳細(xì)的檢查和分析。對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的分析一般可從結(jié)構(gòu)整體和局部?jī)蓚€(gè)方面考慮。反映整體性指標(biāo)可以分為兩類:工程經(jīng)驗(yàn)性參考指標(biāo)和規(guī)范明確規(guī)定的結(jié)構(gòu)量化指標(biāo),以下分別對(duì)這兩類指標(biāo)進(jìn)行介紹分析。工程經(jīng)驗(yàn)性參考指標(biāo),主要包括適用高度和高寬比;結(jié)構(gòu)單位面積平均重度;結(jié)構(gòu)自振周期;底部總剪力(各振型底部剪力的平方和平方根與總重量比;振型曲線、位移曲線(圖形形態(tài)六類。1. 適用高度和高

4、寬比:各種結(jié)構(gòu)體系的最大適用高度,是指滿足規(guī)范限定要求的結(jié)構(gòu)體系,按現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的各項(xiàng)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),結(jié)構(gòu)選型是合適的。若所設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)房屋高度超過規(guī)定,仍按現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的有關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì),則不完全合適。該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)有可靠依據(jù),采取有效的加強(qiáng)措施,并按規(guī)定報(bào)請(qǐng)有關(guān)部門審查。高寬比的規(guī)定是對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度、抗傾覆能力、整體穩(wěn)定、承載能力以及經(jīng)濟(jì)合理性的宏觀控制指標(biāo)。實(shí)際上當(dāng)滿足高規(guī)對(duì)側(cè)向位移、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗傾覆能力、承載能力等性能的規(guī)定時(shí),高寬比的規(guī)定可不作為一個(gè)必須滿足的條件,也不作為判斷結(jié)構(gòu)規(guī)則與否及超限高層建筑抗震專項(xiàng)審查的一個(gè)指標(biāo)。2. 結(jié)構(gòu)單位面積平均重度:根據(jù)其數(shù)值是否在正常數(shù)值范

5、圍內(nèi),可判斷荷載取值是否漏算,是否合適,活荷載該折減時(shí)是否沒折減。3. 結(jié)構(gòu)自振周期:按正常的設(shè)計(jì),大量單塔樓(40層以下非耦連計(jì)算地震作用時(shí),其第一周期一般在以下范圍內(nèi):框架結(jié)構(gòu) T1=0.10.15N;框剪結(jié)構(gòu)T1=0.080.12N ;剪力墻結(jié)構(gòu)T1=0.040.08N ;筒中筒結(jié)構(gòu)T1=0.060.10N (其中N為結(jié)構(gòu)計(jì)算層數(shù),對(duì)于40層以上的建筑,上述近似周期的范圍可能有較大差別。如果周期偏離上述數(shù)值太遠(yuǎn),應(yīng)當(dāng)考慮本工程剛度是否太大或太小,必要時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)截面尺寸。4. 底部總剪力與總重量比:根據(jù)許多工程計(jì)算的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,在正常設(shè)計(jì)的條件下,對(duì)第一周期小于 3.5秒的結(jié)構(gòu)底部剪力在下列

6、范圍內(nèi)較為正常:7度II類土:Q =1.6%2.8% W;8度II類土:Q =3.2%5% W(其中Q為結(jié)構(gòu)底部水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;W為建筑物的重力荷載。層數(shù)多、剛度小時(shí),偏于較小值;層數(shù)少、剛度大時(shí),趨于較大值。若計(jì)算的地震作用偏離上述數(shù)值太大,必要時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)截面尺寸,借以調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度,使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較安全經(jīng)濟(jì)合理。5. 振型曲線: 第I振型第II振型第III振型圖一振型曲線正常計(jì)算結(jié)果,單塔樓結(jié)構(gòu)的振型曲線多為連續(xù)光滑曲線。第一振型沒有零點(diǎn);第二振型的零點(diǎn)在(0.70.8H的高度上;第三振型的零點(diǎn)分別位于(0.40.5H和(0.80.9H 的高度上(見圖一。當(dāng)沿豎向有非常顯著的剛度和質(zhì)量突

7、 (a 剪力墻(b 框架(c 框架-剪力墻(框架-筒體圖二位移曲線變(如帶加強(qiáng)層或轉(zhuǎn)換層等的不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)或復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu),尤其是超限高層結(jié)構(gòu)時(shí),振型曲線有可能出現(xiàn)不光滑的畸變點(diǎn)。6. 位移曲線:將位移參考點(diǎn)上各層水平位移畫成曲線,一般情況下若沿豎向不發(fā)生剛度突變則不應(yīng)出現(xiàn)畸點(diǎn),曲線應(yīng)連續(xù)、光滑(見圖二。若沿豎向發(fā)生剛度突變,則層間位移曲線可能出現(xiàn)畸點(diǎn)、凹凸異形。如中國(guó)南方電力調(diào)度通訊大樓層間側(cè)移曲線(見圖三。規(guī)范明確規(guī)定的結(jié)構(gòu)量化指標(biāo),主要包括:綜合性指標(biāo)(含層間位移角、剪重比、剛重比三類、平面要求指標(biāo)(反映結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)控制指標(biāo),含周期比、位移比兩類、豎向要求指標(biāo)(控制豎向不規(guī)則程度的

8、指標(biāo),剛度比、層間受剪承載力比兩類三大類。若計(jì)算結(jié)果不滿足其中任何一項(xiàng),則必須進(jìn)行調(diào)整直至滿足。1. 綜合性指標(biāo):(1層間位移角(樓層層間最大位移與層高之比:它是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度控制的重要指標(biāo),其數(shù)值的大小從一個(gè)側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)的整體剛度是否安全經(jīng)濟(jì),可引起設(shè)計(jì)者對(duì)其中的結(jié)構(gòu)體系選擇、結(jié)構(gòu)的豎向及平面布置合理性的再思考,甚至再選擇?，F(xiàn)行規(guī)范對(duì)層間位移角的限值確定不僅考慮了非結(jié)構(gòu)構(gòu) 圖三中國(guó)南方電力調(diào)度通訊大樓層間側(cè)移曲線 構(gòu)件可能受到的破壞,還考慮控制了剪力墻、柱等重要抗側(cè)對(duì)其限制的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理,使結(jié)構(gòu)不致出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),而不是要求結(jié)構(gòu)具有足夠大的剛度。當(dāng)計(jì)算周

9、期比與規(guī)范要求周期比出入較大時(shí),可參看層間位移角的大小進(jìn)行調(diào)整,或通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置,增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件剛度,降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度,甚至改變結(jié)構(gòu)類型,或降低結(jié)構(gòu)平動(dòng)剛度,使平動(dòng)周期加長(zhǎng)。(2. 位移比:它是控制建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo),以避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),是指樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與本樓層平均值的比值。位移比不滿足時(shí)只能通過調(diào)整改變結(jié)構(gòu)平面布置,減小結(jié)構(gòu)剛心與形心的偏心距,作如下調(diào)整: (i由于位移比是在剛性樓板假定下計(jì)算的,最大位移比往往出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的四角部位;因此應(yīng)注意調(diào)整結(jié)構(gòu)外圍對(duì)應(yīng)位置抗側(cè)力構(gòu)件的剛度;同時(shí)在設(shè)計(jì)中,應(yīng)在構(gòu)造措施上對(duì)

10、樓板的剛度予以保證。(ii利用程序的節(jié)點(diǎn)搜索功能快速找到位移最大的節(jié)點(diǎn),加強(qiáng)該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的墻、柱等構(gòu)件的剛度;也可找出位移最小的節(jié)點(diǎn)削弱其剛度;直到位移比滿足要求。3. 豎向要求指標(biāo): (1. 剛度比: 主要為限制結(jié)構(gòu)豎向布置的不規(guī)則性,避免結(jié)構(gòu)剛度沿豎向突變,形成薄弱層,體現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的豎向剛度勻稱度;對(duì)于形成的薄弱層應(yīng)按規(guī)范予以加強(qiáng)或調(diào)整結(jié)構(gòu)布置和材料強(qiáng)度等級(jí),加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震延性連接構(gòu)造措施,來加強(qiáng)甚至避免薄弱層。另外,可用層剛度比來判斷樓層是否為薄弱層、地下室是否能作為嵌固端以及轉(zhuǎn)換層剛度是否滿足規(guī)范要求。(2. 層間受剪承載力比:它是用來限制結(jié)構(gòu)豎向布置不規(guī)則的重要指標(biāo),避免樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的

11、受剪承載能力沿豎向突變,形成薄弱層。層間受剪承載力是指在所考慮的水平地震作用方向上,該層全部柱及剪力墻的受剪承載力比之和,其值與柱墻構(gòu)件尺寸、配筋有關(guān),與他們的連接方式無關(guān)。對(duì)于形成的薄弱層應(yīng)按規(guī)范予以加強(qiáng),或提高本層構(gòu)件強(qiáng)度(如增大配筋布、提高混凝土強(qiáng)度或加大截面以提高本層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的抗剪承載力,或適當(dāng)降低上部相關(guān)樓層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的抗剪承載力,以滿足規(guī)范要求。高層結(jié)構(gòu)整體分析無法包括所有構(gòu)件,或包括了但由于模型關(guān)系而給不出較準(zhǔn)確的內(nèi)力,故高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的分析除了從結(jié)構(gòu)整體方面考察滿足要求后,還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算和分析,尤其是對(duì)重要部位和關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行必要的局部分析,

12、并采取相應(yīng)的處理措施。結(jié)構(gòu)局部分析主要包括重要部位和關(guān)鍵構(gòu)件的分析設(shè)計(jì)、墻柱軸壓比、構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)方面。1. 重要部位和關(guān)鍵構(gòu)件的分析設(shè)計(jì):主要包括特殊部位構(gòu)件(如轉(zhuǎn)換層、轉(zhuǎn)換梁、大懸臂梁、轉(zhuǎn)換柱、跨層柱、特別荷載作用部位、框支梁柱、異型板應(yīng)分析其內(nèi)力(可借助計(jì)算數(shù)據(jù)及圖形文件、配筋是否合理正常;必要時(shí)應(yīng)進(jìn)一步分析,包括采用合適的局部分析軟件、相關(guān)或類似工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果、手算(導(dǎo)荷載及內(nèi)力計(jì)算等措施進(jìn)行復(fù)核,再對(duì)照處理。2. 墻柱軸壓比:限制墻柱軸壓比主要是為保證結(jié)構(gòu)的延性要求,規(guī)范對(duì)墻柱軸壓比均有相應(yīng)限值要求。軸壓比不滿足要求,結(jié)構(gòu)的延性要求無法保證,應(yīng)增大墻、柱的截面面積或提高該層墻柱混

13、凝土強(qiáng)度;軸壓比過小,則說明結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較差,宜適當(dāng)減少相應(yīng)墻、柱的截面面積。3. 構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì):在安全經(jīng)濟(jì)適用的原則下,根據(jù)構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果(數(shù)形文件、實(shí)際受力狀況(傳力大小途徑、構(gòu)件受力平衡性及受力變形對(duì)稱性等 、 規(guī)范抗震措施及概念加強(qiáng)措施、構(gòu)件配筋合理性等,進(jìn)行構(gòu)件分析判斷優(yōu)化調(diào)整:包括構(gòu)件的異常及超筋信息處理、截面尺寸配筋率、構(gòu)件內(nèi)力變形配筋的平衡對(duì)稱性、構(gòu)件材料形式選擇。另外,設(shè)計(jì)者必須明白的是目前規(guī)范為實(shí)現(xiàn)三個(gè)水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo),通常通過彈性地震作用和承載力計(jì)算來滿足第一水準(zhǔn)的設(shè)防要求,然后通過與概念設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)力調(diào)整和抗震構(gòu)造措施來滿足第二水準(zhǔn)和第三水準(zhǔn)地震的宏觀性能控制要求

14、,有些工程規(guī)范還要求進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算調(diào)整,以滿足有特殊要求的建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到某些抗震設(shè)防性能目標(biāo),或防止某些建筑物在大震下倒塌,因此必須重視計(jì)算結(jié)果,同樣也必須滿足規(guī)范抗震措施及概念加強(qiáng)措施。以上內(nèi)容主要是對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的分析判斷的兩個(gè)主要方面，側(cè)重點(diǎn)主要是計(jì)算結(jié)果分析。實(shí)際上 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，與建筑材料、 施工技術(shù)水平、國(guó)家及地方經(jīng)濟(jì)水平、規(guī)范規(guī)程發(fā)展要求等 眾多因素相關(guān)，具有許多不確定影響因素，同時(shí)現(xiàn)有的各種 計(jì)算程序模型都是基于各種假定下作必要的簡(jiǎn)化處理才得 以實(shí)現(xiàn)的，其計(jì)算結(jié)果有的不一定是結(jié)構(gòu)真實(shí)受力狀態(tài)的反 映；對(duì)于實(shí)際工程中出現(xiàn)的各種各樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)有 的計(jì)算模型也不是都能適用，即使采用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)分析， 由于尺寸效應(yīng)差異和各種難以模擬的復(fù)雜因素影響，其實(shí)驗(yàn) 結(jié)果也未必都能反映建筑結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力性能。因此在設(shè)計(jì) 高層結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的計(jì)算，但也不應(yīng)過于依賴計(jì)算和 盲目應(yīng)用計(jì)算結(jié)果，應(yīng)從工程結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)、抗震概念和 相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對(duì)計(jì)算結(jié)果認(rèn)真加以分析；也應(yīng)重視結(jié) 構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，重視