本站原创摘 要:总结了高层建筑的特点,提出抗侧力结构体系的确定和设计成为高层建筑设计的关键问题.探讨了高层建筑结构扭转的破坏机理,提出抗扭设计的概念设计原则,并对结构总体布置进行了详细介绍.
关 键 词:高层建筑抗扭设计概念设计
引言
国内、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刚度太弱的结构,在地震中容易受到严重的破坏,表现出明显的扭转破坏特征,因而在抗震设计中怎样做好结构的抗扭设计,提高结构的抗震安全性是十分重要的.本文探讨了高层建筑结构的抗扭设计要点.
1.高层建筑的特点
建筑结构要求同时承受垂直荷载和水平荷载,还要抵抗地震作用.在高层建筑中,水平荷载和地震作用将成为控制因素.随着高度增大,位移增加最快,弯矩次之.高层建筑设计不仅需要较大的承载能力,而且需要较大的刚度,使水平荷载产生的侧向变形限制在一定范围内.
由于高层建筑高度大,地震作用对它的影响也较大.在地震区,应使结构具有延性,即地震作用下,结构进入塑性阶段,以塑性变形抵抗地震作用,又要做到结构不破坏不倒塌.这样设计可以降低材料消耗,经济而安全.在高层建筑中,随着结构高度的加大,结构变形增大,对结构延性要求也相应提高.由于上述特点,在高层建筑结构设计中,抗侧力结构的设计成为关键.欲使抗侧力结构具有足够的承载能力和刚度,又有好的抗震性能,还要尽可能提高材料的利用率,降低材料消耗、节约造价等,必须从选择结构材料、结构体系、基础形式等各方面着手,采用合理可行的计算方法和设计方法,还要十分重视构造、连接、锚固等细部处理.
2.高层建筑结构扭转的破坏机理
当结构的平面布置或剪力墙的设置较复杂且不对称,水平荷载合力的作用线通过结构的刚度中心时,结构不仅有横向的平移,还会有绕刚度中心的扭转,这就增加了结构受力的复杂性.在裂缝出现前,钢筋混凝土构件的扭转受力性能,大体上符合圣维南弹性扭转理论.在扭矩较小时,其扭矩――扭转角曲线为直线,抗扭刚度与按弹性理论的计算值十分接近,纵筋和箍筋的应力都很小.当扭矩稍大并接近开裂扭矩时,该曲线偏离原直线.在裂缝出现瞬间钢筋应力特别是扭转角开始限制增大.裂缝出现时,由于部分混凝土退出工作,钢筋应力明显增大.此时,裂缝出现前构件受力的平衡状态被打破,具有裂缝的混凝土和钢筋共同组成一个新的受力体系以抵抗外扭矩,并获得新的平衡.由于裂缝出现前后受力性能的根本改变,因此,其抗扭刚度有较大的降低.试验研究表明,裂缝出现后,具有裂缝的混凝土和钢筋共同组成新的受力体系中,混凝土受压,抗扭纵筋和箍筋均受拉.此后,在外扭矩作用下,混凝土和钢筋应力不断增大,直至构件破坏.
3.高层建筑结构抗扭设计要点
3.1概念设计原则
高层建筑结构设计的基本原则是:注重概念设计,重视结构选型与平、立面布置的规则性,择优选用抗震和抗风好且经济的结构体系,加强构造措施.在抗震设计中,应保证结构的整体性能,使整个结构具有必要的承载力、刚度和延性.结构应满足下列基本要求:
(1)具有必要的承载力、刚度和变形能力.
(2)避免因局部破坏而导致整个结构破坏.
(3)对可能的薄弱部位采取加强措施.
(4)避免局部突变和扭转效应形成的薄弱部位.
(5)宜具有多道抗震防线.
3.2按概念设计原则进行结构总体布置
在高层建筑中,除了根据结构高度选择合理的结构体系外,还要恰当地设计和选择建筑物的平面形状、立面和总体造型.
(1)控制结构的高宽比
高层建筑中控制侧向位移常常成为结构设计的主要矛盾,而且随着高度增加,倾覆力矩也将迅速增大,因此,建造宽度很小的建筑物是不合适的.一般应将结构的高宽比控制在5-6以下,当设防烈度在8度以上时,高宽比限制应更严格一些.
(2)结构的平面布置
大量宏观震害调查表明,建筑物平面布置不对称、刚度不均匀、高低错层连接、屋顶局部突出或沿高度方向刚度突变等,都容易造成震害.当建筑物长度较大时,在风力作用下,也会出现因风力不均匀及风向紊乱变化而引起的结构扭转、楼板平面挠曲等现象.高层建筑宜调整平面形状和结构布置,避免结构平面不规则.无论是板式或塔式高层建筑,平面都应尽量用规则、简单、对称的形状,尽量减少复杂受力和扭转受力.当建筑物平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置,使之成为较规则的结构时,可设置防震缝将其划分为较简单的几个结构单元.为了避免楼板变形带来的复杂受力情况,建筑物长度应加以限制.当设防烈度为6度和7度时,长宽比不宜超过6,当设防烈度等于或大于8度时,长宽比不宜超过5.要使结构的刚度中心和质量中心尽量重合,以减少扭转,通常偏心距不宜超过垂直于外力作用线边长的5%.
(3)结构的竖向布置
结构的竖向布置也应注意刚度均匀而连续,尽量避免刚度突变或结构不连续.按抗震设计的高层建筑结构,其楼层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%.高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的65%,B级高度高层建筑不宜小于75%.结构竖向抗侧力结构宜上下连续贯通.在地震区,避免采用完全由框支剪力墙组成的底部有薄弱层的结构体系,也不应出现剪力墙在某一层突然中断而形成的中部具有软弱层的情况.
4.结语
当地震发生时,高层建筑结构不仅受到平移和剪切作用的影响,还会有绕刚度中心的扭转效应.对于一般的钢筋混凝土结构,控制结构地震扭转效应,一方面,应限制结构平面布置的不规则性,另一方面,应通过配筋等构造措施使结构具有一定的抗扭刚度.