秦俊林

摘 要：近年來，我國建筑行業(yè)取得了較快的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)開始向多樣化和復(fù)雜化的方向發(fā)展。人們在注重建筑實(shí)用性的同時(shí)，對建筑的外觀也有了更高的要求。這就導(dǎo)致在高層建筑結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)越來越普遍。這些超限的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其是在設(shè)計(jì)時(shí)超出相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范所規(guī)定的高度，其在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較大的區(qū)別。關(guān)于這些超限高層建筑國家也做出了相關(guān)的規(guī)定，將超過B級高度建筑180米的最大適用高度的高層建筑都稱為高層超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文中從高層建筑超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與普遍高層建筑的區(qū)別入手，對高層建筑超限設(shè)計(jì)的主體因素進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對高層結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)中主體問題的解決措施進(jìn)行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)；超限設(shè)計(jì)；主體因素；措施

前言

隨著現(xiàn)代化建設(shè)開始向高層和超高層的方向發(fā)展，當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)的體型開始朝著復(fù)雜化和多樣化的方向發(fā)展。人們對建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和美觀性更為關(guān)注，在這種情況下，高層建筑結(jié)構(gòu)超限的項(xiàng)目不斷增加，這也給設(shè)計(jì)增加了較大的難度。這類建筑不僅與國家現(xiàn)行規(guī)范的高度和結(jié)構(gòu)都具有較大的差異，而且體型也具有不規(guī)則的特征，所以需要對該類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，從而有效的確保高層建筑結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)的安全性。

1 高層建筑超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與普通高層建筑的區(qū)別

一是層數(shù)和高度的增加，豎向荷載也不斷加大，墻、柱結(jié)構(gòu)面積也隨之相應(yīng)的增加。

二是由于高度的增加，超限結(jié)構(gòu)的水平荷載急劇增長，風(fēng)力隨著各層作用點(diǎn)高度的增加而不斷加大，重力荷載代表值、各層作用點(diǎn)高度及構(gòu)件截面剛度也會(huì)導(dǎo)致地震作用的加大，結(jié)構(gòu)受力的主要思想因素來自于水平荷載。

三是隨著高層建筑層數(shù)的增加，所累加的效應(yīng)也會(huì)越來越明顯。而且在這其中還會(huì)由于壓縮變形差而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)附加彎矩、傾覆彎矩所產(chǎn)生附加軸力，這也是超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不可忽視的重要因素。

四是層數(shù)的增加，導(dǎo)致需要調(diào)整的系數(shù)也加大，構(gòu)件內(nèi)力變形、位移值和位移比的控制難度都會(huì)有所增加，從而需要對其抗震等級進(jìn)行提高。

2 高層建筑超限設(shè)計(jì)的主體因素

2.1 基于性能的抗震設(shè)計(jì)能否滿足抗震性能目標(biāo)

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，通常分為小震、中震和大震作用下的抗震設(shè)計(jì)，計(jì)算分析方法也具有一定的區(qū)別。通常利用振型分解反應(yīng)法或是彈性動(dòng)力時(shí)程法來對小震作用進(jìn)行計(jì)算分析；而中震則利用彈性計(jì)算和結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服判斷分析法來對其抗震性能進(jìn)行計(jì)算；在大震設(shè)計(jì)時(shí)，則利用靜力彈塑性一Pushover推覆分析及動(dòng)力彈塑性來對進(jìn)行計(jì)算。利用這些計(jì)算方法可以有效的對各階段所要實(shí)現(xiàn)的抗震目標(biāo)進(jìn)行判斷，確保結(jié)構(gòu)的安全性。

2.2 考慮可能的風(fēng)載作用控制并驗(yàn)算風(fēng)作用下舒適度

通常情況下在對抗震超限審查項(xiàng)目中并不包括風(fēng)荷載作用。但對于高層超限結(jié)構(gòu)工程來講，由于其高度與正常高層建筑的高度超出較多，這就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)起到較大的控制作用。所以需要在高層超限結(jié)構(gòu)中對風(fēng)載進(jìn)行必要的分析。在具體分析過程中，需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對超高層建筑受相鄰超高層建筑物風(fēng)擾的影響進(jìn)行分析，根據(jù)其橫風(fēng)作用的大小來采取必要的控制措施。在對橫風(fēng)和順風(fēng)作用進(jìn)行超限計(jì)算時(shí)，需要將兩個(gè)方向的風(fēng)壓值都要與放大系數(shù)1.3相乘，從而計(jì)算出相應(yīng)的位移和強(qiáng)度，從而進(jìn)一步對可能起控制的橫向風(fēng)作用進(jìn)行有效控制，確保在風(fēng)作用下高層超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳舒適度。

2.3 根據(jù)高層超限結(jié)構(gòu)構(gòu)件和剛度需求分析溫差效應(yīng)

目前高層結(jié)構(gòu)采用的都為豎向構(gòu)件筒體，樁截面和剛度都較大，這就導(dǎo)致就會(huì)導(dǎo)致在混凝土澆筑過程中樓蓋梁板在水平方向上溫差變形會(huì)有較大的約束力產(chǎn)生。從而導(dǎo)致相應(yīng)約束力產(chǎn)生，即水平溫差效應(yīng)。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要對混凝土終凝時(shí)的溫度差值所可能對結(jié)構(gòu)帶來的附加內(nèi)力影響進(jìn)行充分的考慮。

2.4 針對超限分析要考慮混凝土徐變收縮對結(jié)構(gòu)的影響

混凝土自身固徐變收縮的特性，但鋼結(jié)構(gòu)則不存在這個(gè)問題，但當(dāng)混凝土附著在鋼結(jié)構(gòu)上時(shí)，隨著時(shí)間的持續(xù)，則會(huì)導(dǎo)致徐變變形的發(fā)生。同時(shí)作為超限高層建筑，由于其豎向構(gòu)件高度較大，這就會(huì)導(dǎo)致其徐變變形累計(jì)數(shù)量較大，而且同時(shí)還會(huì)有收縮變形發(fā)生，在這兩種疊加變形的作用下，會(huì)導(dǎo)致超高層建筑豎向構(gòu)件后期的塑性變形達(dá)到較大的一個(gè)量級，導(dǎo)致其超出荷載直接發(fā)生彈性變形，從而對部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件或是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶來較大的影響。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需要對這種徐變收縮進(jìn)行量化分析，對其可能導(dǎo)致的不利影響進(jìn)行評估，根據(jù)分析的結(jié)果來對是否需要采用相應(yīng)的對策進(jìn)行判斷，確保超限高層建筑的質(zhì)量。

3 高層結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)中主體問題的解決措施

對于超限高層建筑，其對于抗震性能進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法從而對高層建筑結(jié)構(gòu)在大、中、小三個(gè)地震級別的抗震性能進(jìn)行具體的分析和判斷，對于豎向荷載及風(fēng)載的作用，則需要在設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)確保所選擇的方法的規(guī)范性。從而有效的確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈性，確保其在小需作用下結(jié)構(gòu)具有良好的彈性和完好性，不會(huì)有損傷發(fā)生，使結(jié)構(gòu)在小震中具有較好的抗震性能。

在對中震作用下結(jié)構(gòu)的彈性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要利用地震反應(yīng)譜曲線來對中震彈性進(jìn)行計(jì)算，由于需要在計(jì)算中對各項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行確定，所以可以將荷載、材料及城市承載力調(diào)整等各項(xiàng)系數(shù)都取1.0為準(zhǔn)，而在計(jì)算過程中可以不對地震作用下內(nèi)力放大調(diào)整進(jìn)行考慮，其標(biāo)準(zhǔn)值可以根據(jù)材料的強(qiáng)度來進(jìn)行選取，以構(gòu)件地震作用組合效應(yīng)小于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的抗震承載力為標(biāo)準(zhǔn)，在這種情況下，則可以做到中震作用下，高層超限結(jié)構(gòu)具有良好的不屈服性，具有較好的抗震性能。

豎向構(gòu)件及與外框柱及內(nèi)筒剪力墻面內(nèi)相交的主要框架梁均不出現(xiàn)屈服，梁均不出現(xiàn)受剪屈服，在小震及屈服判別地震作用1時(shí)，所有梁不出現(xiàn)受彎屈服；在判別地震作用2及中震時(shí)，核心筒連梁僅出現(xiàn)程度較輕的屈服（主要表現(xiàn)為面筋配筋率略>2.5%），可判斷為輕微的損傷；另，右側(cè)的邊框架梁在中震下也出現(xiàn)輕微屈服，經(jīng)將梁寬度適當(dāng)加大后，即可滿足該梁中震不屈服。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，將按小震和中震兩者的較大值對構(gòu)件進(jìn)行配筋，這樣則能實(shí)現(xiàn)中震作用下結(jié)構(gòu)“重要構(gòu)件不屈服，其他構(gòu)件部分允許受彎屈服，可修復(fù)使用”的第二階段抗震性能水準(zhǔn)。

對大震作用，則可以采用相應(yīng)軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析（Pushover）及用接口程序BEPTA進(jìn)行模型的前處理和準(zhǔn)備工作后通過分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析。按彈塑性程序計(jì)算所反映的塑性發(fā)展程度來對構(gòu)件以至整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的性能評價(jià)。

高層建筑超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了確保其安全性，在對其抗震進(jìn)行超限審查時(shí)，還需要通過對風(fēng)載、溫差和混凝土徐變收縮可能帶來的影響進(jìn)行深入的分析，確保真正實(shí)施高層超限結(jié)構(gòu)時(shí)其性能能夠得到有效的保障。

4 結(jié)束語

高層建設(shè)超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中除了利用軟件和模擬分析外，還需要對主體結(jié)構(gòu)需要承受的荷載、風(fēng)載和地震等作用進(jìn)行綜合考慮，對混凝土徐變收縮可能帶來的諸多影響因素進(jìn)行計(jì)算，從而更好的確保高層超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

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