浅谈高层结构计算中几个指标的控制
浅谈高层结构计算中几个指标的控制
黄剑华
广西建工集团海外工程有限责任公司
【摘要】:对高层结构概念设计几种主要的刚度控制指标及连梁超筋现象的控制与调整进行讨论,提出具体的控制方法;阐述高层结构设计中需要注意的构造问题,并给出了解决方案。
【关键词】:高层结构;刚度;控制与调整
《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)以下简称“高规”,总结了我国近10年来高层建筑结构设计的经验,提高了结构安全度和规范的可操作性,加强了抗震概念设计和不规则性控制,为结构工程师的工程实践提供了理论依据和指导。但在近两年的工程设计中,工程师反映比较多的问题是,结构的刚度控制在设计计算中比较难满足《高规》的要求,还有就是在计算中,连梁超筋的现象比较常见,难以调整。下面结合笔者对《高规》的学习心得和实际工程的经验,提出几点建议。
1对结构扭转刚度的理解与控制
《高规》第4.3.5条对扭转刚度扭转周期的要求是:结构扭转为主的第一自振周Tt与平动为主的第一自振T1的比值,对A类高层不应大于0.9,对B类高层及复杂高层不应大于0.85。实际工程中,扭转周期的控制及调整难度较大,当不满足时,不要简单地随意加大剪力墙截面,应查出问题的关键所在,具体问题具体分析,采取相应措施,才能有效解决问题。
1.1 需要明确的几个问题
1当剪力墙全部按同一主轴两向正交布置时,较容易满足。也即结构平面有两个对称轴时,抗扭刚度最好;当只有一个对称轴时,次之;当没有对称轴时最差,当周边剪力墙与核心筒墙成斜交布置时,就是这种情况。
2对称结构也须考虑扭转震害。不对称结构的平动振型和扭转振型是相互耦连的,而对称结构的平动振型和扭转振型是相互独立的。对称结构当考虑偶然偏心时,T1/T1接近1.0时,结构还会出现扭转增大效应。
3多塔结构中,很难判断扭转为主的周期。因为计算程序是在上部多个单塔出现扭转为主时,才判断该振型为扭转为主振型。因此,在多塔结构中,只要保证每个单塔的扭转符合要求即可。
4周期比控制中,扭转为主的第一周期一定要小于平动为主的第一周期,但可不小于平动为主的第二周期。也就是说,第一周期必须是平动为主的第一周期,第二周期可以是平动为主的第二周期或扭转为主的第一周期。因为,如果一定要扭转为主的第一周期小于平动为主的第二周期,对于某些工程来说,代价太大了,没有这个必要。
1.2当结构不满足扭转周期限制时,要区分4种情况分别处理
1当层间位移角控制潜力较大时,宜适当减小结构的竖向构件刚度,增大结构的平动周期,即增大T/T中的分母比重,以满足规范要求。
2当层间位移角控制潜力不大时,应检查是否存在扭转刚度特别小的层,若存在,应加强该层的抗扭刚度。
3当层位移角控制潜力不大,且各层抗扭刚度无突变时,说明核心筒平面尺度与结构总高度之比偏小,应加大核心筒平面尺寸或加大核心筒外墙厚度,增加核心筒的抗扭刚度。
4当受建筑条件制约,无法形成核心筒或核心筒尺度很小时,应减小核心区刚度,加强外围构件刚度,以获得较大的抗扭刚度。
2《高规》中其他刚度要求
《高规》中除抗扭刚度较难控制外,其他刚度或与刚度相关的要求则较易满足,现分别列举如下。1扭转位移比控制。《高规》第4、3、5条规定,A类高层Δumax/ΔUc不宜大于1.2,不应大于1.5;B类高层Δumax/ΔUc不宜大于1.2,不应大于1.4。当不满足时,需要调整平面布置,减少刚心与重心偏心距。整体稳定性刚重比控制。《高规》第5.4.4条规定,带剪力墙
式中,G1为第i层重力荷载设计值;H、h1为房屋高度、层高;Ejd为结构一个主轴方向的弹性等效侧向刚度。
满足此条件时刚度退化15%,风荷作用下稳定,当不满足时,要提高竖向构件刚度。通过对具体工程的分析,抗震设防烈度≥7度或基本风压≥015kN/m时,若位移控制满足,则结构稳定自然满足;其他情况应验算结构稳定性及P-Δ效应影响。
(3)层刚比控制。《高规》第4.4.2条规定,满足时,要调整层高,加强或削弱相关层刚度。
(4)弹性层位移角控制。《高规》第4.6.3条规定,Δumax/h≤1/500～1/1000。当不满足时,要调整层高,加强底部竖向构件刚度。
(5)转换层刚度比控制。《高规》附录E规定,抗震设计时K′+n/K1′≤113。当不满足时,要调整层高,加大或削弱相关层刚度。
(6)地下室嵌固层刚度比控制。《建筑抗震设计规范》GB50011—2001第6.1.14条规定,地下室结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍。当不满足时,应增加地下室剪力墙数量,或将嵌固层下移一层。
(7)舒适度控制。《高规》第4.6.6条规定,≤0.15m/s住宅、公寓;amx≤0.25m/s办公、旅馆,当不满足时,需提高竖向构件刚度。
3剪力墙连梁的设计控制
在剪力墙结构和框架剪力墙结构中,连接墙肢与墙肢,墙肢与框架柱的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小、截面大,与连梁相连的墙体刚度又很大等特点。一般在风荷载和地震荷载的作用下,连梁的内力往往很大。此外,高层建筑中,由于连梁两端墙肢的不均匀压缩,会引起连梁两端的竖向位移差,这也将在连梁内产生内力。在设计时,即使采取降低连梁内力的各种措施,如增大剪力墙的洞口宽度,在连梁中部开水平缝,在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减,对局部内力过大层的连梁进行调整等,仍难使连梁的设计符合要求。基于这种情况,在连梁设计时,应具体区分是由哪种内力引起的,并对症下药,方可解决问题。
3.1水平力引起的连梁超筋
在墙肢和连梁的协同工作中,剪力墙应该具有足够的刚度和强度。剪力墙的设计应该保证不发生剪切破坏,同时要求连梁的屈服要早于墙肢的屈服,也就是要求墙肢和连梁的设计符合强剪弱弯的原则。因此,连梁超筋时,应在满足强剪弱弯的要求下,按下述方法调整。
1连梁刚度的折减。连梁屈服时表现为梁端出现裂缝,刚度减弱,内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时,就需对连梁刚度进行折减。根据《高规》第5.2.1条规定:“在内力与位移计算中,所有构件均可采用弹性刚度,在框架剪力墙结构中,连梁的刚度可予以折减,折减系数不宜小于0.5”。一般在实际设计中取值0.50～1.00,以符合截面设计的要求。
2增加连梁跨度减少连梁高度。在连梁设计中,刚度折减后,仍可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的情况,这时可以增加洞口的宽度,以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度,也就减少了地震作用的影响,使连梁的承载力有可能不超限。如果只是部分连梁超筋或超限,则可采取调整连梁内力来解决,调整的幅度不宜大于20%,且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。
3增加剪力墙厚度。亦即增加连梁的截面宽度,其结果一方面由于结构整体刚度加大,地震作用产生的内力增加,另一方面连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比。由于该片墙厚增加以后,地震所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给该片剪力墙,而是小于这个比例,因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。
4提高混凝土等级。混凝土等级提高后,结构的地震作用影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例,有可能使连梁的受剪承载力不超限。
5地震区高层建筑的剪力墙连梁,在进行了上述调整后,仍有部分不符合承载力要求时,可取连梁截面的最大剪压比限值确定剪力,剪压比见《高规》第7.2.2条规定,按“强剪弱弯”的要求,配置相应的纵向钢筋。此时,如果不能保证连梁在大震时的延性要求,应将这些连梁按铰接于剪力墙上考虑。
3.2重力荷载引起的连梁超筋
当连梁超筋是由于相连竖向构件发生较大竖向位移引起的,则应按下述方法调整。
1调整结构布置,减小变形差。使墙肢布置更均匀,承受荷载相对均匀,有利于调整连梁内力,使其不超限。
2设置后浇带。后浇带的设置,在一定程度上缓解了沉降差,改善了连梁两端的内力值,使其不超限。
3增加连梁跨度减少高度。
4加大截面,加大配筋。连梁截面加大,抗弯、抗剪能力均能提高,在一定范围内,可以满足承载力要求。
4结语
高层建筑结构计算模型的调整是受很多因素制约的,与剪力墙的平面布置、剪力墙的数量、连梁的刚度、建筑条件的限制等都有关。因此,设计时要把互相制约的因素统一协调,以取得比较理想的结果。
参考文献:
[1]JGJ3—2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[2]GB50011—2001,建筑抗震设计规范[S].
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