高层建筑结构刚度浅析

文章编号: 1009�6825( 2008) 05�0100�02 高层建筑结构刚度浅析 收稿日期: 2007�10�10 作者简介:郑星桃( 1972� ) ,男,工程师,福建建工集团总公司,福建福州 � 350005 郑 星桃 摘 � 要:阐述了高层建筑结构刚度的概念设计原则和结构刚度与震害的关系,分析了规范对结构刚度的规定, 并进一步 提出了对结构刚度的认识,可供高层建筑结构设计人员参考借鉴。 关键词:高层建筑, 结构刚度,概念设计, 水平荷载 中图分类号: TU972. 2 文献标识码: A � � 高层建筑的�高�是一个相对的概念, 它与人的感觉和地区的 环境有关。因此,高层建筑不能简单地以高度或层数用一个统一 的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 定义。高层结构的主要特点是层数和高度, 实质上是指水 平荷载在设计中占主导地位。结构内力、位移和高度的关系是, 除轴向力与高度成正比外, 弯矩和位移与高度都呈指数曲线上 升。因此, 随着高度的增加, 水平荷载将成为控制结构设计的主 要因素。可以说,多层到高层是一个水平荷载起的作用由小到大 的量变过程。从结构观点来看,凡是水平荷载起主要作用的就可 以认为进入了高层建筑结构的范畴。总之, 随着高度的增加, 高 层建筑的侧向位移迅速增大。因此设计高层建筑时不仅要求结 构有足够的刚度,而且要求结构有适宜的刚度, 使结构有合理的 自振周期等动力性能,并使水平力作用下产生的层位移控制在一 定范围之内,同时结构还应具有良好的延性, 以吸收地震能量。 1 � 高层建筑结构刚度的概念设计原则 1. 1 � 结构刚与柔的选择 事实 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,结构的变形越小, 地震的危害就越小。但是不能 得出刚度越大越好的结论,因为确实刚度愈大, 地震作用愈大, 材 料用量会增加。此外,结构振动和变形的大小不仅和结构刚度有 关,还与场地土有关, 当结构自振周期与场地土的卓越周期接近 时,建筑物的地震反应会加大, 无论振动变形还是地震力都会加 大。因此, 对于高层建筑抗震设计, 不能做出�刚一些好�还是� 柔 一些好�的简单结论, 应该结合结构的具体高度、体系、场地条件 进行综合判断。 1. 2 � 结构平面布置刚度宜均匀,减少扭转 抗震结构平面布置宜简单、规则, 尽量减少凸出、凹进等复杂 平面,但是更重要的是结构平面布置时要尽可能使平面刚度均 匀,所谓结构平面刚度均匀就是刚心与质心靠近, 减少地震作用 下的扭转。扭转对结构的危害很大, 减小结构扭转引起的破坏一 般从两个方面入手: 1) 减少地震引起的扭转; 2)增强结构抵抗扭 转的能力。平面刚度是否均匀是地震造成扭转破坏的主要原因 , 而影响刚度是否均匀的主要原因是剪力墙的布置, 剪力墙集中布 置在平面的一侧是不好的,大刚度抗侧单元偏置的结构在地震作 用下扭转大, 对称布置剪力墙、井筒有利于减少扭转。周边布置 剪力墙或周边布置刚度很大的井筒, 都是增强结构抗扭刚度的重 要措施。为了减少地震作用下的扭转, 还要注意平面上质量分 布,质量偏心会引起扭转, 质量集中在周边会加大扭转。同时, 较 高的建筑物不宜做成长宽比很大的长条形平面, 因为它不符合楼 板在平面内无限刚性的假定。 1. 3 � 结构竖向刚度宜均匀,避免软弱层,减小鞭梢效应 结构宜做成上下等宽或由下向上逐渐减小的梯形, 更重要的 是结构的抗侧刚度应沿高度均匀或沿高度逐渐减小。竖向刚度 是否均匀,也主要涉及剪力墙的布置。框支剪力墙是典型的沿高 度刚度突变的结构, 它的主要危险是框支层的变形大, 框支层总 表现为薄弱层。巨型框架结构和脊骨结构是在不规则的建筑中 使结构上下刚度一致的较好的结构体系, 它在建筑体型和建筑平 面布置变化较多的情况下, 结构不受影响, 但是这种体系必须在 建筑师的积极配合下才能实现。 2 � 高层建筑结构体系的概念设计 � � 即承载力增加了 29%。 4 � 结语 1)在未来的建筑物结构中混凝土结构仍然是主要的, 因此提 高混凝土的材料特性具有重要的意义; 2)在梁中配置约束箍筋可 以有效提高梁的受弯承载力; 3)在相同的条件下区域约束混凝土 可以有效地降低结构的截面尺寸, 从而有更好的经济效益; 4)区 域约束混凝土在梁上的应用在理论上还是新东西, 仍需进一步加 以研究,尤其是实验研究。 参考文献: [ 1] GB 50010�2002,混凝土结构设计规范[ S] . [ 2] Daniel Cusson. Patr ick Paultre High strength concrete columns confined by rectangular ties[ J] . ASCE Journal of Structural Engi� neer ing , 1994( 3) : 783�804. [ 3]胡海涛.复合方箍约束混凝土轴心受压短柱承载力计算 [ J] . 建筑结构, 2002( 4) : 12�13. The application of range constraint concrete in beam WANG Kun� WANG Xiao� bin� LUO Xiao�yi Abstract: It introduces the merits and defaults of concr ete structure, po ints out that applying constraint to concr ete can improve the mechanical perfo rmance of concrete, and researches the pressure per formance of range constraint concrete beam, the limited bearing and the calculation of bending bear ing , to pr ompt the application of range constraint concret e. Key words: concrete, hoped, bearing, effective space �100� 第 34卷 第 5期2 0 0 8 年 2 月 � � � � � � � � � � 山 西 建 筑SHANXI � ARCH IT ECTURE � � � � � � � � � � � � � � � � Vol. 34 No. 5Feb. � 2008 � � 2. 1 � 预先估计结构的破坏形态, 调整承载力以加强或 削弱某些部位 结构各层的承载力宜自下而上均匀的减小,减小的幅度应符 合地震作用下的内力包络图, 避免出现承载力薄弱层。同时, 要 尽可能地预计所设计结构的可能破坏部位 ,在复杂结构中更要通 过概念分析计算估计受力不利部位和薄弱部位。结构工程师应 能预期结构的合理破坏模式,通过合理的内力调整控制结构的破 坏模式。有些部位可有意识使其提早屈服或提高其承载力, 推迟 它的屈曲或破坏。 2. 2 � 设计延性结构和延性构件 延性是指结构或构件屈服后, 具有承载力不降低或基本不降 低,且具有足够塑性变形能力的一种性能, 一般用延性比表示延 性,即塑性变形能力的大小。塑性变形可以耗散地震能量, 大部 分抗震结构在中震作用下都有部分构件进入塑性状态而耗能, 耗 能性能也是延性好坏的一个指标。在小震不坏, 中震可修, 大震 不倒的设计原则下, 钢筋混凝土结构都应设计成延性结构, 即在 设防烈度地震作用下, 允许部分构件出现塑性铰, 这种状态是中 震可修状态; 合理地控制塑性铰部位、构件又具有足够的延性时, 可做到在大地震作用下结构不倒塌。高层建筑各种抗侧力都是 由框架和剪力墙组成的,作为抗震结构都应该设计成延性框架或 延性剪力墙。 2. 3 � 设计多道设防结构 � � � 超静定结构和双重抗侧力 体系的概念 静定结构是只有一个自由度的结构, 在地震中只要有一个节 点破坏或一个塑性铰出现,结构就会倒塌。抗震结构必须做成超 静定结构,因为超静定结构允许有多个屈服点或破坏点。将这个 概念引申, 不仅是要设计超静定结构, 抗震结构还应该做成具有 多道设防的结构。第一道设防结构中的某一部分屈服或破坏只 会使结构减少一些超静定次数。 同时要注意分析并控制结构的屈曲或破坏部位, 控制出铰次 序及破坏过程。有些部位允许屈服或甚至允许破坏, 而有些部位 则只允许屈服,不允许破坏, 甚至有些部位不允许屈服。例如, 带 连梁的剪力墙中,连梁应当作为第一道设防, 连梁先屈曲或破坏 都不会影响墙肢独立抵抗地震力。双重结构体系是可能实现多 道设防结构的一种类型, 而且双重抗侧力结构的抗震性能较好。 这里提出的双重抗侧力体系的特点是, 由两种变形和受力性能不 同的抗侧力结构组成, 每个抗侧力体系都有足够的刚度和承载 力,可以承受一定比例的水平荷载, 并通过楼板连接协同工作, 共 同抵抗外力 ,特别是在地震作用下,当其中一部分结构有所损伤 时,另一部分应有足够的刚度和承载力能够担当共同抵抗后期地 震作用的任务。在抗震结构中设计双重抗侧力体系便于实现多 重设防,是安全可靠的结构体系。 2. 4 � 重视构件承受竖向荷载的安全 结构倒塌往往是由竖向构件破坏造成的 ,在高层建筑中一般 不采用异形柱,而短肢剪力墙是常用的构件, 当楼层只有个别短 肢剪力墙或小墙肢时, 它分担的内力很小, 即使破坏也不会影响 结构的抗侧力能力, 也不会使楼板跨塌。但是, 当楼层大片面积 上连续采用短肢剪力墙时, 潜在的危险有两方面: 一方面是在剪 力墙井筒出现问题后,很弱的短肢剪力墙没有足够的延性和承载 力,可能随之破坏; 另一方面是短肢剪力墙在弹塑性阶段抵抗竖 向荷载的能力, 当较多的短肢剪力墙失效时, 虽然结构仍然可以 依靠其他剪力墙或井筒抵抗地震作用, 但是承受竖向荷载的楼板 将受到严重的威胁,有时会发生连续倒塌 (一个构件破坏后引起 相邻构件破坏)。因此,更重要的是要注意短肢剪力墙的布置, 较 大面积的连续布置短肢剪力墙(承受竖向荷载面积超过 30% ~ 50% ) ,将对弹塑性阶段抵抗地震和竖向荷载造成危险。在具有 较多短肢剪力墙的结构中, 要采取措施防止局部倒塌和连续倒 塌,不但要加强井筒(或较长剪力墙)的承载力和延性, 还要加强 短肢剪力墙的承载力和延性。 2. 5 � 加强结构整体性 � � � 缝的设置 高层建筑一般不设计很长的平面, 在较长的平面中设置后浇 带可以解决早期收缩出现的裂缝问题, 顶层采取隔热措施、外墙 采用保温措施可以有效地减少温度变化的影响,顶层、底层、山墙 等温度变化较大的部位提高配筋率以抵抗温度应力。高层建筑 的主体和裙房之间尽量不设沉降缝, 可以把主体和裙房放在一个 刚度很大的整体基础上; 土质不好时, 主体和裙房都可以采用桩 基础将重量传到压缩性小的土层中去; 裙房面积不大时, 可以从 主体结构的箱形基础悬挑基础梁来承受裙房的重量。 不规则结构的薄弱部位容易造成震害, 过去一般采用设置防 震缝将其划分为若干个独立的抗震单元, 使各个结构单元成为规 则的独立结构。目前工程设计更倾向于不设抗震缝, 而是采取加 强结构整体性的措施,加强薄弱部位防止破坏。如果在高层建筑 中无法避免伸缩缝、沉降缝、抗震缝, 则必须按照规范要求设置其 宽度,避免相邻部分地震时相互碰撞而破坏。 3 � 结语 高层建筑的结构刚度控制主要应遵循两个原则: 1) 足够刚 度,能抵抗地震和水平侧向力的作用。2)要均匀(不论是水平方 向还是竖直方向) , 这都和剪力墙的布置有密切关系, 水平方向刚 度均匀 ,要求刚心质心尽量靠近, 这还比较容易控制;而竖向刚度 均匀就不是那么简单,因为高层建筑的结构刚度要求从下到上逐 渐减小 ,这就增加了控制难度。怎样使高层建筑的竖向刚度逐渐 减小以达到竖向刚度完全均匀,是一个需要深入研究的课题。 参考文献: [ 1]方鄂华. 高层建筑钢筋混凝土结构概念设计 [ M ] . 北京: 机械 出版社, 2004. 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