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        高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的七個比值

        2016-10-21 02:06:12馬雄機
        低碳地產(chǎn) 2016年5期
        關(guān)鍵詞:高層結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整

        馬雄機

        廣東省華城建筑設(shè)計有限公司東莞分公司 廣東 東莞 523000

        【摘 要】對于剛接觸結(jié)構(gòu)設(shè)計的從業(yè)者來說,在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,往往感到無從下手,筆者認(rèn)為這是一個新手常見的問題,究其原因,是因為對規(guī)范的理解和設(shè)計經(jīng)驗的不夠?qū)е碌摹1疚闹?,筆者根據(jù)從業(yè)多年來的工作經(jīng)驗和對規(guī)范的理解,就混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)中所需控制的七個參數(shù)作一個簡明的闡述,并針對七個比值調(diào)整方法進行了探討,對結(jié)構(gòu)新手提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平有一定的實踐意義。

        【關(guān)鍵詞】高層;結(jié)構(gòu)設(shè)計;七個參數(shù);調(diào)整

        1概述

        一般而言,在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,建筑專業(yè)把平面方案初步確定后,隨即結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)該介入,進行結(jié)構(gòu)抗側(cè)構(gòu)件的初步布置。首先應(yīng)該控制抗側(cè)構(gòu)件的平面布置合理性,位移比、周期比及剛重比是控制構(gòu)件平面布置的三個主要參數(shù),在平面布置滿足要求后,豎向剛度比的控制成了第二步的重點,其后進行軸壓比、剪重比及層間受剪承載力比的控制是保證結(jié)構(gòu)的延性及抗震安全性,這三步是相互關(guān)聯(lián)的。結(jié)構(gòu)設(shè)計中,如要得到更合理的結(jié)構(gòu)布置,就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員能夠深刻的理解這七個比值含義,并能在實際工程中熟練掌握它、運用它。

        2七個比值詳解及調(diào)整的方法

        在實際工程中,高層設(shè)計的難點在于豎向承重構(gòu)件(柱、剪力墻等)的合理布置,設(shè)計過程中需控制七個參數(shù)分別為:周期比、位移比、剛度比、剛重比、剪重比、層間受剪承載力、軸壓比。下面,筆者將結(jié)合規(guī)范條文和PKPM軟件對以上七個參數(shù)進行一一闡述。

        2.1周期比

        [規(guī)范條文:高規(guī)的3.4.5條規(guī)定,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1之比,A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9;B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85]。周期比側(cè)重控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關(guān)系,而非其絕對大小,它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理,使結(jié)構(gòu)不致于出現(xiàn)過大(相對于側(cè)移)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。一句話,周期比控制不是在要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實,而是在要求結(jié)構(gòu)承載布局的合理性。周期比主要為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。周期比不滿足要求,說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對于側(cè)移剛度較小,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大。根據(jù)個人經(jīng)驗,周期比不滿足時的調(diào)整方法如下:

        a.程序調(diào)整:SATWE程序不能實現(xiàn)。

        b.人工調(diào)整:只能通過人工調(diào)整改變結(jié)構(gòu)布置,提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度;總的調(diào)整原則是加強結(jié)構(gòu)外圍墻、柱或梁的剛度,適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)中間墻、柱的剛度。也就是說要加強結(jié)構(gòu)外圈剛度,削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)筒剛度。

        2.2位移比

        [規(guī)范條文:高規(guī)的3.4.5條規(guī)定,樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移角,A、B級高度高層建筑均不宜大于該樓層平均值的1.2倍;且A級高度高層建筑不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍,B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑,不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。]位移比主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性,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)。根據(jù)個人經(jīng)驗,位移比不滿足時的調(diào)整方法如下:

        a.程序調(diào)整:SATWE程序不能實現(xiàn)。

        b.人工調(diào)整:只能通過人工調(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;可利用程序的節(jié)點搜索功能在SATWE的“分析結(jié)果圖形和文本顯示”中的“各層配筋構(gòu)件編號簡圖”中快速找到位移最大的節(jié)點,加強該節(jié)點對應(yīng)的墻、柱等構(gòu)件的剛度;也可找出位移最小的節(jié)點削弱其剛度;直到位移比滿足要求。位移比的限值是根據(jù)剛性樓板假定的條件下確定的,其平均位移的計算方法,也基于“剛性樓板假定”,所以,在SATWE參數(shù)中,要點上該選項再計算。

        2.3剛度比

        剛度比主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性,以免豎向剛度突變,形成薄弱層,見抗規(guī)3.4.3,高規(guī)3.5.2;對于形成的薄弱層則按高規(guī)3.5.8予以加強。根據(jù)個人經(jīng)驗,剛度比不滿足時的調(diào)整方法:

        a.程序調(diào)整:如果某樓層剛度比的計算結(jié)果不滿足要求,SATWE自動將該樓層定義為薄弱層,并按高規(guī)3.5.8將該樓層地震剪力放大1.25倍。

        b.人工調(diào)整:如果還需人工干預(yù),可適當(dāng)降低本層層高和加強本層墻、柱或梁的剛度,適當(dāng)提高上部相關(guān)樓層的層高和削弱上部相關(guān)樓層墻、柱或梁的剛度。

        對于錯層結(jié)構(gòu)或帶有夾層的結(jié)構(gòu),層剛度比有時得不到合理的計算,這是因為層的概念被廣義化了。此時,需要采用模型簡化才能計算出層剛度比。

        2.4剛重比

        [規(guī)范條文:高規(guī)第5.4.1-5.4.2條規(guī)定了高層建筑結(jié)構(gòu)要考慮重力二階效應(yīng)的情況。高規(guī)5.4.4規(guī)定了高層建筑穩(wěn)定性的條件。]剛重比主要為控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,避免結(jié)構(gòu)在風(fēng)載或地震力的作用下整體失穩(wěn)。剛重比不滿足要求,說明結(jié)構(gòu)的剛度相對于重力荷載過小;但剛重比過分大,則說明結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)較差,宜適當(dāng)減少墻、柱等豎向構(gòu)件的截面面積。根據(jù)個人經(jīng)驗,剛重比不滿足時的調(diào)整方法:

        a.程序調(diào)整:在“考慮重力二階效應(yīng)”的地方打?qū)础?/p>

        b.人工調(diào)整:人工調(diào)整改變結(jié)構(gòu)布置,加強墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度。

        2.5剪重比

        剪重比主要為控制各樓層最小地震剪力,確保結(jié)構(gòu)安全性,見抗規(guī)5.2.5,高規(guī)4.3.12。這個要求如同最小配筋率的要求,算出來的地震剪力如果達不到規(guī)范的最低要求,就要人為提高,并按這個最低要求完成后續(xù)的計算。根據(jù)個人經(jīng)驗,剪重比不滿足時的調(diào)整方法:

        a.程序調(diào)整:在SATWE的“調(diào)整信息”中勾選“按抗震規(guī)范5.2.5調(diào)整各樓層地震內(nèi)力”后,SATWE按抗規(guī)5.2.5自動將樓層最小地震剪力系數(shù)直接乘以該層及以上重力荷載代表值之和,用以調(diào)整該樓層地震剪力,以滿足剪重比要求。

        b.人工調(diào)整:如果還需人工干預(yù),可按下列三種情況進行調(diào)整:

        b-1.當(dāng)?shù)卣鸺袅ζ《鴮娱g側(cè)移角又偏大時,說明結(jié)構(gòu)過柔,宜適當(dāng)加大墻、柱截面,提高剛度;

        b-2.當(dāng)?shù)卣鸺袅ζ蠖鴮娱g側(cè)移角又偏小時,說明結(jié)構(gòu)過剛,宜適當(dāng)減小墻、柱截面,降低剛度以取得合適的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo);

        b-3.當(dāng)?shù)卣鸺袅ζ《鴮娱g側(cè)移角又恰當(dāng)時,可在SATWE的“調(diào)整信息”中的“全樓地震作用放大系數(shù)”中輸入大于1的系數(shù)增大地震作用,以滿足剪重比要求。

        2.6層間受剪承載力

        層間受剪承載力控制豎向不規(guī)則性,以免豎向樓層受剪承載力突變,形成薄弱層,見抗規(guī)3.4.3,高規(guī)3.5.3;對于形成的薄弱層應(yīng)按高規(guī)3.5.8予以加強。根據(jù)個人經(jīng)驗,層間受剪承載力比不滿足時的調(diào)整方法:

        a.程序調(diào)整:在SATWE的“調(diào)整信息”中的“指定薄弱層個數(shù)”中填入該樓層層號,將該樓層強制定義為薄弱層,SATWE按高規(guī)3.5.8將該樓層地震剪力放大1.25倍。

        b.人工調(diào)整:如果還需人工干預(yù),可適當(dāng)提高本層構(gòu)件強度(如增大配筋、提高混凝土強度或加大截面)以提高本層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的承載力,或適當(dāng)降低上部相關(guān)樓層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的承載力。

        2.7軸壓比

        軸壓比主要為控制結(jié)構(gòu)的延性,規(guī)范對墻肢和柱均有相應(yīng)限值要求,見抗規(guī)6.3.6和6.4.5,高規(guī)6.4.2和7.2.14。

        軸壓比不滿足時的調(diào)整方法:

        a.程序調(diào)整:SATWE程序不能實現(xiàn)。

        b.人工調(diào)整:增大該墻、柱截面或提高該樓層墻、柱混凝土強度。

        2.8總結(jié)

        如果結(jié)構(gòu)豎向較規(guī)則,第一次試算時可只建一個結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層,待結(jié)構(gòu)的周期比、位移比、剪重比、剛度比等滿足之后再添加其它標(biāo)準(zhǔn)層;這樣可以減少建模過程中的重復(fù)修改,加快建模速度。

        3結(jié)語

        隨著計算機科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,PKPM系列及相關(guān)結(jié)構(gòu)計算軟件的出現(xiàn)大大地提高了結(jié)構(gòu)工程師們的工作效率,但同時也逐漸使工程師養(yǎng)成了依賴軟件的習(xí)慣,形成了盲目相信軟件計算結(jié)果,手算能力大大降低。在實際工作中,結(jié)構(gòu)工程師們應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)行國家規(guī)范規(guī)程來使用計算軟件,能夠合理地選取結(jié)構(gòu)設(shè)計中涉及的各項計算參數(shù),要避免計算盲目性和走模式化。結(jié)構(gòu)工程師們應(yīng)該要與時俱進的更新科學(xué)知識,不斷地提高自身的理論水平,不斷地總結(jié)實踐經(jīng)驗,通過整體和局部判斷軟件計算結(jié)果的合理性,然后應(yīng)用于實際工程;結(jié)構(gòu)工程師們還應(yīng)學(xué)會利用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計來把握結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計,能夠利用簡化力學(xué)模型來檢驗局部構(gòu)件的設(shè)計,通過有主次的控制七大主要參數(shù)指標(biāo)值,使高層的結(jié)構(gòu)布置更加合理、安全、經(jīng)濟。

        參考文獻:

        [1]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2010)

        [2]廣東省實施高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(DBJ15-92-2013)

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