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        平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

        2015-08-15 00:51:34
        江西建材 2015年3期
        關(guān)鍵詞:側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建筑物

        對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中,必須重視其平面布置的規(guī)則性。一旦高層建筑平面設(shè)計(jì)不規(guī)則,將會(huì)造成安全事故的產(chǎn)生,這主要是因?yàn)橐坏┙Y(jié)構(gòu)不規(guī)則,其平面質(zhì)量中心和剛度中心將無法集中在一點(diǎn),最終結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。更為嚴(yán)重的情況下,將直接破壞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以,對(duì)此課題進(jìn)行研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

        1 基于平面不規(guī)則性的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

        (1)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,水平力是其中重要的影響因素。一般在對(duì)多層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),必須將結(jié)構(gòu)豎向荷載因素放在首要位置分析。相關(guān)資料顯示結(jié)構(gòu)自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值,與建筑高度的一次方成正比;然而,水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)造產(chǎn)生的影響是十分不同的,其主要是與建筑結(jié)構(gòu)高度的兩次方成正比。換個(gè)角度思考,如果建筑物的高度達(dá)到要求,則豎向荷載將會(huì)變成一個(gè)定值。相對(duì)于作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用,它的數(shù)值變化較為特殊,其主要隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化。

        (2)降低高層建筑自身的重量。在具體的施工過程中,減輕高層建筑自重顯得尤為重要。依據(jù)筆者的工作經(jīng)驗(yàn),得出一個(gè)結(jié)論:地震效應(yīng)與建筑的重量成正比。根據(jù)以上關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)降低房屋自重是提高結(jié)構(gòu)性能的最佳途徑。如果增大高層建筑的重量,那么其結(jié)構(gòu)承受的地震剪力將會(huì)越大,地震作用傾覆力矩越大。與此相對(duì)應(yīng),最終將導(dǎo)致附加彎矩加大,降低高層建筑的使用性能。

        (3)作為一個(gè)重要的控制指標(biāo),側(cè)移與建筑物的高度是有一定關(guān)系的。隨著高層建筑的興起,結(jié)構(gòu)側(cè)移日益成為影響高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。除此之外,由于建筑物的高度在增加,導(dǎo)致新的建筑形式和結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn),一段時(shí)間后側(cè)向位移將會(huì)明顯增大。綜合以上因素分析,在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí),必須重視抗推剛度因素。

        2 高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性有關(guān)的問題

        2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性及均勻性的體現(xiàn)

        (1)在實(shí)際操作中可以發(fā)現(xiàn),高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿兩個(gè)主軸方向的剛度幾乎接近一致,并且它的變形特性十分相同。在具體的設(shè)計(jì)過程中,由于高層建筑結(jié)構(gòu)大多為三緯空間,所以導(dǎo)致其地震、風(fēng)荷載的方向比較隨意;實(shí)踐證明,只有兩個(gè)主軸方向的剛度相對(duì)較好,抗震抗風(fēng)的效果比較優(yōu)越。

        (2)這集中體現(xiàn)在高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向斷面構(gòu)成變化方面,必須防止其產(chǎn)生突變。簡單地說,即保持其主體結(jié)構(gòu)剪切剛度的穩(wěn)定性。采用這種高層建筑,可以防止薄弱層受到損害,進(jìn)而影響到整體結(jié)構(gòu)的完整性,特別是對(duì)于強(qiáng)震區(qū)的一些建筑物而言。

        (3)在對(duì)高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),必須保持同一主體方向的剛度均勻,防止其主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)某一、二片剛度較大的情況,對(duì)結(jié)構(gòu)延性造成不利影響。滿足以上要求,則可以使水平荷載作用下的應(yīng)力分布相對(duì)合理,實(shí)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則抗震延性的目標(biāo)。

        (4)此過程中有一點(diǎn)必須引起足夠重視,即中央核心與周邊結(jié)構(gòu)的剛度的協(xié)調(diào)能力,這對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的抗扭剛度有著直接關(guān)系。

        2.2 荷載的傳力直接

        垂直荷載的定義容易被理解,它是一種活荷載,產(chǎn)生于建筑物本身和它的樓層、屋面。這是建筑結(jié)構(gòu)中最為基本的一種荷載力,它對(duì)建筑物的作用時(shí)間長。通常在建筑物結(jié)構(gòu)中,垂直荷載的傳力主要是指樓屋蓋梁板垂直荷載的受力點(diǎn)、線、通過樓屋面板、梁將垂直荷載傳遞到豎向構(gòu)件墻、柱,最終由墻柱逐層傳遞到基礎(chǔ)。一般而言,風(fēng)荷載是常見高層建筑結(jié)構(gòu)中必不可少的水平荷載。另外,高層建筑結(jié)構(gòu)不能超過風(fēng)震加速度的最大額度,這是為了避免造成建筑物的振動(dòng)過大,直接影響到其使用效果。

        2.3 結(jié)構(gòu)的合理剛度

        (1)樓屋蓋結(jié)構(gòu)的合理剛度。這個(gè)概念的理論性較強(qiáng),在生活中的要求為使樓屋蓋梁板斷面尺寸的選擇和布置滿足要求。一旦樓屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度不符合要求,那么將造成梁板發(fā)生變形,對(duì)建筑物的美觀造成影響。情況相對(duì)嚴(yán)重的,其裝修、填充墻、門窗也會(huì)受到不同程度的損壞;一旦樓屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度超出范圍,將會(huì)增加高層建筑物結(jié)構(gòu)自重。這樣一來,建筑的成本就大大地上升了。

        (2)主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的合理剛度。它是整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié),主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度必須符合幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn),比如水平位移、整體剛度等。只有這樣,才能確保高層建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)效性。最后,值得指出的一點(diǎn)是,這個(gè)數(shù)值不宜太大,過大的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)有著不利的影響。

        3 關(guān)于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的原因分析以及控制

        3.1 扭轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的原因分析

        (1)外界因素。地震波通過地面時(shí)的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程,這主要是因?yàn)樗鼽c(diǎn)的周期和相位存在較大差異。地面質(zhì)點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)是不相同的,所以能夠使地面的每一部分在產(chǎn)生平動(dòng)分量的同時(shí),也產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)分量。這種轉(zhuǎn)動(dòng)分量將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)效應(yīng),與結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性沒有直接關(guān)系。

        (2)建筑結(jié)構(gòu)本身的因素。對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析時(shí),普通的工程是把這個(gè)結(jié)構(gòu)視為一個(gè)平面模型,對(duì)其主軸方向分別計(jì)算。某種意義上說,它的分析方法是具有一定的局限性,一般是針對(duì)質(zhì)量中心和剛度中心相重合的建筑結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)而言的。然而,相反的情況下,采用平面模型的方法就無法適應(yīng)實(shí)際需求。究其原因,可以發(fā)現(xiàn)地震時(shí),質(zhì)量中心的慣性力將對(duì)剛度中心產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩,使得建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的空間振動(dòng)。

        3.2 關(guān)于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制

        總而言之,對(duì)于高層建筑平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言,其有關(guān)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的條款和控制指標(biāo)為位移比和周期比。同時(shí),偶然偏心距也是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。在控制周期比時(shí),必須觀察建筑的自身性能,進(jìn)行這項(xiàng)工作的主要目的是為使結(jié)構(gòu)的抗扭剛度符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而位移比的規(guī)定則是與前者存在較大差別,它是通過另一個(gè)側(cè)面來反映結(jié)構(gòu)的規(guī)則性、對(duì)稱性,以及質(zhì)量剛度能否符合規(guī)定。在一些制度中,采用這兩個(gè)指標(biāo)的重要原因是結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心位置無法直接通過定量計(jì)算得出。此過程中,可以明確地指出一個(gè)問題:僅僅只從位移比來判斷結(jié)構(gòu)為扭轉(zhuǎn)規(guī)則或扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的方法不夠科學(xué)。

        4 結(jié)語

        隨著城市建設(shè)的發(fā)展,高層建筑越來越多,不規(guī)則平面高層建筑結(jié)構(gòu)日新月異,如何加強(qiáng)此類建筑的抗震設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容,為此,上文就不規(guī)則性高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了探析,以此提高此類建筑的安全性。

        [1]張卓.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息,2009(14):286.

        [2]王璐穎.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表現(xiàn)[J].科技致富向?qū)В?010(29):226+241.

        [3]鐘勇華.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2009(24):106-108.

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