论高层建筑中不规则结构设计及安全设计.doc

论高层建筑中不规则结构设计及安全设计王硕鹏摘 要：随井建设经济的发展；高层建筑物的增长之速；本文结合工作经验，高层建筑结构设计中不同设计的若干意见和建议度结构设计安奎度做了简单的分析，并提倡节约材料。 关键词：高层建筑结构设计不规则安全设计节约 1、高层建筑结构对称性、均匀性的主要体现 高层建筑主体抗侧力结构沿两个主轴方向的刚度比较接近、变形特性比较相似。这是因为实际的高层建筑结构都是三维空间，实际的地震荷栽、风荷载都具有任意的方向性；高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀，就是具有比较良好的抗震抗风性能。 高层建筑主体抗侧力结构沿竖向断面、构成变化比较均匀、不要突变。这里主要是指主题结构的剪切刚度不要突变。这种均匀的高层建筑可以避免因薄弱层的破坏而引起的结构整体破坏，尤以强震区的高层建筑结构特别注意。高层建筑主体抗侧力结构的平面布置，应注意同一主体方向各片抗侧力结构刚度尽量均匀，应避免在主体结构布置中某一、二片钢度特别大而延性较差的结构。高层建筑主体抗侧力结构的水平布置还应注意中央核心与周边结构的刚度协调均匀，保证主体结构具有较好的抗扭刚度，以避免高层建筑物在地震荷载或风荷载的扭矩作用下产生过大的扭转变形而结构或非结构构件的破坏。 2、不规则高层建筑结构设计中应采取的措施研究 国内、国外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭转刚度太弱的建筑结构，在地震中受到严重的破坏。国内一些振动台模型试验结果表明，扭转效应会导致建筑结构的严重破坏。对建筑结构的扭转效应需从以下两个方面加以限制：限制建筑结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。限制建筑结构的扭转刚度不能太弱。关键是限制扭转为主的第一自振周期TC与平动为主的第一自振周期T1之比。当两者接近时，由于振动耦连的影响，结构的扭转效应明显增大。 目前在工程设计中应用的多数计算分析方法和计算方法，都假定楼板在平面内不变形，平面内刚度无限大。这对于大多数工程来说是可以接受的。但是当楼板有犬的凹人，大的开洞时，楼板在平面内消弱过大、楼板产生显着的变形，这时刚性楼板的假定不再适用，要采用考虑楼板变形影响的计算方法和相应的计算程序。考虑楼板的实际刚度可以采用将楼板等效为受弯水平梁的简化方法，也可以将楼板划分为单元后采用有限元法进行计算。中国建筑科学研究院PKPM工程部研制的SATWE软件可以考虑柔性楼板的假定。当楼板平面过于狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有过大消弱时，应在设计中考虑楼板变形产生的不利影响。楼板四人和开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半，楼板开洞总面积不宜超过楼面面积30；在扣除凹入和开洞后，楼板在任一方向的最小静宽度不宜小于5m。且开洞后每一边的楼板静宽度不应小于2m。角部重达和细腰的平面图形，质量比规则的图形如图1； 在中央部位形成狭窄部分，在地震中容易产生震害，尤其在四角部位，因为应力集中易使楼板开裂、破坏。这些部位应采用加大楼板厚度，增加楼板配筋，设置集中配筋的边梁，配筋45度斜向钢筋等加强措施。高层住宅建筑常采用井字形平面等，以利于通风采光，而将楼梯间、电梯间集中布置于中央部位。当中央部位楼电梯间使楼板过分消弱时，此时应将楼点梯问周边的剩余楼板加厚，并加强配筋。外伸部分形成的四槽宜的限值主要是为了判定结构的平面是否规则，当结构设计人员采用弹性板计算时，结构本身就已属于平面不规则了，设计人员可直接按照规范规定的平面不规则的相关要求执行即可。 了解美国规范中关于结构不规则性的定义。对于我们在双向地震作用的判断中也提供了一定的依据。根据建筑抗震设计规范第5.1.1条第3款和高层建筑混凝土结构技术规程第3.3.2条第2款规定：质量和刚度分布明显不均匀、不对称的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转的影口向。按照规范的要求，双向地震作用只有在结构的质量和刚度分布明显不均匀、不对称的时候才考虑。但是什么情况下才算质量和刚度分布明显不均匀、不对称规范中并没有说明。高层建筑混凝土结构技术规程在第4.3.5条规定，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的确1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度的高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的确1.2能不应大于该楼层平均值的1.4倍。结合高层建筑混凝土结构技术规程第4.3.5条和美国UBC-1997规范的相关内容，我们可以认为当楼层最大位移与平均位移之比超过扭转位移比下限比较多，当A级高度高层建筑大于1.4.B级高度高层建筑、混合结构高层建筑或复杂高层建筑等大于1.3倍时，就属于扭转明显不规则，需要考虑双向水平地震作用下的扭转效应。按照高层建筑混凝土结构技术规程条文说明中的内容，双向水平地震作用下可以不考虑偶然偏心的影响。 3、当前的建筑物安全事故，与结构设计安全度无关 50年代的结构设计方法，与现在近似，当时所用的混凝土强度很低，只有110140号。比现在的c15还低。50年代初期施工手段也很落后，混凝土用体积配合比，人工搅拌，没有振捣器而当时施工发生安全事故的较少。有一些建筑物，如王府井百货大楼、北京饭店等，使用至今已逾45年，而且经过了唐山地震影响的考验。因此可以说，现在的安全事故，与结构设计安全度是没有连带关系的。 4、结构设计，仍宜提倡节约 关于节约钢材的问题。作为一个结构设计工程师，重要职责之一，就是以较少的材料去完成建筑物各种功能的要求。如果将构件截面任意加大，材料用量任意增多，这个工作，建筑师也能做。在发达国家，节约材料也是工程师所追求的。1998年美国商业周刊登载由美国建筑师学会(AIA)举办的最佳建筑设计竞赛，“节省材料”是该次竞赛的主题之一。纽约时报新印刷厂的设计，因采用规则的矩形平面和常规材料，节约五千万美元而获奖：又如香港中国银行(贝聿铭设计)因其结构方案布置得当，比同样高度的其他结构大量节约钢材，所以若干个杂志上都发表文章加以表扬。 5、我国规范中的构造规定，并非都比别国低 我国规范规定的是最低用钢量，设计者一般根据结构重要性，予以适当提高，所以下能以此来判定我们在工程中的材料用量，更不能以我们的最低值来与人家比。我国规范规定的柱子最小含钢量力0.4，是不考虑抗地震时的数量，我们大多数城市设计时都考虑抗震，高层建筑更是都要考虑，这时柱子的最小含钢量就是0.51.0，而且设计单位在设计高层建筑的柱子时，用钢量常比规范要求的还大，因此与国外相比，实际用钢量并不太小。我们有些构造要求，已与国外持平，如剪力墙的最小配筋率为0.25，与美国相同。至于墙的暗柱配筋量，在许多方面已是世界领先。 6、规范要根据国家政策而定 一个国家的规范，不仅仅是技术性的，还有根强的政策性，许多方面，是一个国家经济条件的直接反映。因此，我国规范的材料用量，当然应该比发达国家低，也即安全度应该低一些。这方面我们完全可以理直气壮地说，我们过去的设计标准，是符合我国国情的，是安全的。当然某些局部有不足，要不断修改。 7、不容忽视设计中的浪费现象 当前建筑结构设计存在的问题中，有一个方面不容忽视，就