[摘要]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相當(dāng)部分構(gòu)件的設(shè)置，規(guī)范僅給出了最低限值或建議取值，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中各人的理解不同可能對整個設(shè)計(jì)帶來相當(dāng)大的區(qū)別。還有部分是屬于概念設(shè)計(jì)的范疇，尤其值得我們一起探討。
　　[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；水平力；扭轉(zhuǎn)
　　隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和建筑功能的多樣化,城市人口的不斷增多及建設(shè)用地日趨緊張和城市規(guī)劃的需要,促使高層建筑得以快速發(fā)展。另一方面由于輕質(zhì)高強(qiáng)材料的開發(fā)及新的設(shè)計(jì)計(jì)算理論的發(fā)展,抗風(fēng)和抗震理論的不斷完善,加之新的施工技術(shù)和設(shè)備的不斷涌現(xiàn),特別是計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)分析手段的不斷提高,為迅速發(fā)展高層建筑提供了必要的技術(shù)條件。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中值得重視的幾個問題進(jìn)行了探討,僅供參考。
　　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
　　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較,結(jié)構(gòu)專業(yè)在各專業(yè)中占有更重要的位置,不同結(jié)構(gòu)體系的選擇,直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機(jī)電管道的設(shè)置、施工技術(shù)的要求、施工工期長短和投資造價(jià)的高低等。其主要特點(diǎn)有:
　　(一)水平力是設(shè)計(jì)主要因素
　　在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中,往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而在高層建筑中,盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響,但水平荷載卻起著決定性作用。因?yàn)榻ㄖ�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,僅與建筑高度的一次方成正比;而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力,是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面,對一定高度建筑來說,豎向荷載大體上是定值,而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用,其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動力性的不同而有較大的變化。
　　(二)側(cè)移成為控制指標(biāo)
　　與低層或多層建筑不同,結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度的增加,水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大,與建筑高度H的4次方成正比(△=qH4ö8EI)。另外,高層建筑隨著高度的增加、輕質(zhì)高強(qiáng)材料的應(yīng)用、新的建筑形式和結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)、側(cè)向位移的迅速增大,在設(shè)計(jì)中不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度,還要求具有足夠的抗推剛度,使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某一限度之內(nèi),否則會產(chǎn)生以下情況:
　　1.因側(cè)移產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力,尤其是豎向構(gòu)件,當(dāng)側(cè)向位移增大時,偏心加劇,當(dāng)產(chǎn)生的附加內(nèi)力值超過一定數(shù)值時,將會導(dǎo)致房屋側(cè)塌。
　　2.使居住人員感到不適或驚慌。
　　3.使填充墻或建筑裝飾開裂或損壞,使機(jī)電設(shè)備管道損壞,使電梯軌道變型造成不能正常運(yùn)行。
　　4.使主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)大裂縫,甚至損壞。
　　(三)減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要
　　高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮,如果在同樣地基或樁基的情況下,減輕房屋自重意昧著不增加基礎(chǔ)造價(jià)和處理措施,可以多建層數(shù),這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟(jì)效益。地震效應(yīng)與建筑的重量成正比,減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了,不僅作用于結(jié)構(gòu)上的地震剪力大,還由于重心高地震作用傾覆力矩大,對豎向構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加軸力,從而造成附加彎矩更大。
　　(四)軸向變形不容忽視
　　采用框架體系和框架——剪力墻體系的高層建筑中,框架中柱的軸壓應(yīng)力往往大于邊柱的軸壓應(yīng)力,中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當(dāng)房屋很高時,此種軸向變形的差異將會達(dá)到較大的數(shù)值,其后果相當(dāng)于連續(xù)梁中間支座沉陷,從而使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小,跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大。
　　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個問題
　　(一)高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能
　　對于一個建筑物的最初的方案設(shè)計(jì),建筑師考慮更多的是它的空間組成特點(diǎn),而不是詳細(xì)地確定它的具體結(jié)構(gòu)。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的,由于建筑物是由一些大而重的構(gòu)件所組成,因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面,結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的,而建筑設(shè)計(jì)的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系,所以,在建筑設(shè)計(jì)的方案階段,就必須對主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設(shè)想。
　　(二)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問題
　　建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要求建筑三心盡可能匯于一點(diǎn),即三心合一。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中未做到三心合一,在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉(zhuǎn)破壞,應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局,盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下,高層建筑扭轉(zhuǎn)作用的大小取決于質(zhì)量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻,減輕結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動,應(yīng)使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下,由于城市規(guī)劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制,高層建筑不可能全部采用簡單平面形式,當(dāng)需要采用不規(guī)則L形、T形、十字形等比較復(fù)雜的平面形式時,應(yīng)將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi),同時,在結(jié)構(gòu)平面布置時,應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)處于對稱狀態(tài)。
　　(三)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的側(cè)移和振動周期
　　建筑結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)的振動周期問題包含兩方面:合理控制結(jié)構(gòu)的自振周期;控制結(jié)構(gòu)的自振周期使其盡可能錯開場地的特征周期。
　　(1)結(jié)構(gòu)自振周期
　　高層建筑的自振周期(T1)宜在下列范圍內(nèi):
　　框架結(jié)構(gòu):T1=(0.1～0.15)N
　　框—剪、框筒結(jié)構(gòu):T1=(0.08～0.12)N
　　剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu):T1=(0.04～0.10)N
　　N為結(jié)構(gòu)層數(shù)。
　　結(jié)構(gòu)的第二周期和第三周期宜在下列范圍內(nèi):
　　第二周期:T2=(1ö3～1ö5)T1;第三周期:T3=(1ö5～1ö7)T1。
　　(2)共振問題
　　當(dāng)建筑場地發(fā)生地震時,如果建筑物的自振周期和場地的特征周期接近,建筑物和場地就會發(fā)生共振。因此在建筑方案設(shè)計(jì)時就應(yīng)針對預(yù)估的建筑場地特征周期,通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的層數(shù),選擇合適的結(jié)構(gòu)類別和結(jié)構(gòu)體系,擴(kuò)大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別,避免共振的發(fā)生。
　　(3)水平位移特征
　　水平位移滿足高層規(guī)程的要求,并不能說明該結(jié)構(gòu)是合理的設(shè)計(jì)。同時還需要考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時,地震力的大小與結(jié)構(gòu)剛度直接相關(guān),當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度小,結(jié)構(gòu)并不合理時,由于地震力小則結(jié)構(gòu)位移也小,位移在規(guī)范允許范圍內(nèi),此時并不能認(rèn)為該結(jié)構(gòu)合理。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)周期長、地震力小并不安全;其次,位移曲線應(yīng)連續(xù)變化,除沿豎向發(fā)生剛度突變外,不應(yīng)有明顯的拐點(diǎn)或折點(diǎn)。一般情況下剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎曲型;框架結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為剪切型;框—剪結(jié)構(gòu)和框—筒結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎剪型。
　　(四)位移限值、剪重比及單位面積重度
　　(1)位移限值
　　在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的輸出結(jié)果中,結(jié)構(gòu)的側(cè)移(包括層間位移和頂點(diǎn)位移)是一個重要的衡量標(biāo)準(zhǔn),其數(shù)值大小從一個側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)的整體剛度是否合適,過大或過小都說明結(jié)構(gòu)剛度過小或過大(或者體現(xiàn)結(jié)構(gòu)兩個主軸方向的剛度是否均衡),以致要引起設(shè)計(jì)者對其中的結(jié)構(gòu)體系選擇、結(jié)構(gòu)的豎向及平面布置合理性的再思考。現(xiàn)行規(guī)范中將頂點(diǎn)位移與層間位移并重對待,經(jīng)實(shí)踐探索并參照國外經(jīng)驗(yàn),得出的結(jié)論為:高層建筑尤其是超高層建筑,頂點(diǎn)位移限值決定的不僅是其數(shù)值大小而且還有其振動頻率,人的舒適感覺與振動頻率有關(guān)而與振動幅度(絕對位移)關(guān)系不大,即擺動頻率不太高時就可滿足人們的舒適度;其次,防止結(jié)構(gòu)由于變形過大而可能遭受損壞或破壞的控制因素是層間相對位移,而其限值在現(xiàn)行規(guī)范中似偏嚴(yán),可予放松。同一結(jié)構(gòu)用不同的計(jì)算程序計(jì)算,如果其層間位移數(shù)值差異很大,則有可能是其“層間位移”內(nèi)涵不同所致,有的是指樓層形心位移,有的則專指考慮樓層轉(zhuǎn)動后的最大角點(diǎn)位移,后者通常比前者要大,形心位移對規(guī)則建筑有意義,而角點(diǎn)位移則更能反映結(jié)構(gòu)樓層的真實(shí)位移,因此角點(diǎn)位移是結(jié)構(gòu)工程師必須關(guān)注的一個數(shù)值。
　　(2)剪重比及單位面積重度
　　結(jié)構(gòu)的剪重比(也即水平地震剪力系數(shù))K=VEKöG是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下反應(yīng)大小的一個指標(biāo),其大小主要與結(jié)構(gòu)地震設(shè)防烈度有關(guān),其次與結(jié)構(gòu)體型有關(guān),當(dāng)設(shè)防烈度為7、8、9度時,剪重比分別為0.012,0.024,0.040;扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯或基本周期<3.5s的結(jié)構(gòu)剪重比則分別≮0.016,0.032,0.064。單位面積重度C0=GöA(kNöm2)是衡量結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面取值是否合理和樓層荷載數(shù)據(jù)輸入是否正確的一個重要指標(biāo)。式中的G由以下幾部分,即結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重、樓面建筑面層及天棚抹灰(或吊頂)重、填充墻(包括抹面層)重和樓面使用荷載組成;A則一般以地面以上的建筑面積總和計(jì)算,以便有一個相對準(zhǔn)確的比較標(biāo)準(zhǔn)。定性地分析比較r0值的大小,可得出以下結(jié)果,即一般內(nèi)部隔墻多的建筑(比如住宅)大于間隔墻少的建筑(比如敝開式辦公室);層數(shù)多的建筑略大于層數(shù)少的同性質(zhì)建筑;設(shè)防烈度高的建筑大于設(shè)防烈度低的同性質(zhì)同規(guī)模建筑;剪力墻多的建筑大于剪力墻少甚至僅為框架的建筑。一般高層建筑的單位面積重度在10～18kNöm2之間,除個別較特別的以外,多數(shù)在15kNöm2左右。
　　以上兩個指標(biāo)不僅在施工圖設(shè)計(jì)階段,而且在初步設(shè)計(jì)階段都是非常重要的數(shù)據(jù),其數(shù)值正常與否從另一個側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)體系的選擇是否合適,結(jié)構(gòu)布置(包括構(gòu)件截面確定)是否合理,電算數(shù)據(jù)輸入是否正確,以及最后決定電算結(jié)果是否可信可用等,因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者對這兩個指標(biāo)切不可掉以輕心,更不可認(rèn)為是無關(guān)緊要的。