发布时间 : 星期三 文章多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例之 - 结构设计的原则和基本规定更新完毕开始阅读63c1a718fc4ffe473368abb4
(5)中国建筑科学研究院的计算分析和试验研究表明，当结构上部楼层相对于下部楼层收进时，收进的部位越高、收进后的平面尺寸越小，结构的高振型反应越明显，因此对收进后的平面尺寸加以限制。当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，结构的扭转效应和竖向地震作用效应明显，对抗震不利，因此对其外挑尺寸加以限制，设计上应考虑竖向地震作用影响。
(6)历次地震震害表明:结构刚度沿竖向突变、外形外挑或内收等，都会产生某些楼层的变形过分集中，出现严重展害甚至倒塌。所以设计中应力求使结构刚度自下而上逐渐均匀减小，体形均匀、不突变。1995年阪神地震中，大阪和神户市不少建筑产生中部楼层严重破坏的现象，其中一个原因就是结构侧向刚度在中部楼层产生突变。有些是柱截面尺寸和混凝土强度在中部楼层突然减小，有些是由于使用要求使剪力墙在中部楼层突然取消，这些都引发了楼层刚度的突变而产生严重震害。柔弱底层建筑物的严重破坏在国内外的大地震中更是普遍存在。
(7)顶层取消部分墙、柱而形成空旷房间时，其楼层侧向刚度和承载力可能比其下部楼层相差较多，是不利于抗震的结构，应进行详细的计算分析，并采取有效的构造措施。如采用弹性时程分析进行补充计算、柱子箍筋应全长加密配置、大跨度屋面构件要考虑竖
1)减小土的重量，降低地基的附加压力; 2)提高地基土的承载能力;
3)减少地震作用对上部结构的影响。
唐山地震震害凋查表明:有地下室的建筑物震害明显减轻.同一结构单元应全部设置地下室，不宜采用部分地下室，且地下室应当有相同的埋深。
3.11怎样通过计算来限制建筑结构的不规则性?
结构平面布置要限制结构的扭转效应。国内、外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构，在地震中受到严重的破坏。国内一些振动台模型试验结果也表明，扭转效应会导致结构的严重破坏。对结构的扭转效应需从两个方面加以限制:
(1)限制结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。规定单向地震作用扭转变形的计算应考虑偶然偏心的影响(详见(高规》第3.3.3条)，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍(图3-12) B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。
(2)限制结构的抗扭刚度不能太弱。关键是限制结构扭转为主的第一自振周期`T_1`与平动为主的第一自振周期`T_1`之比。当两者接近时，由于振动藕连的影响，结构的扭转效应明显增大。结构扭转为主的第一自振周期T:与平动为主的第一自振周期T，之比，A级高度高层建筑不应大于0.9, B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85O
不满足以上要求时，宜调整抗侧力结构的布置，增大结构的抗扭刚度。如在满足层间位移比的情况下，减小某些(中部)竖向构件刚度，增大平动周期，加大端部竖向构件抗扭刚度，减小扭转周期。
扭转祸联振动的主方向，可通过计算振型方向因子来判断。在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中，当转动方向因子大于0.5时，则该振型可认为是扭转为主的振型。
多高层建筑结构，经计算若周期比`T_1`/`T_1`.小于0.5，则相对扭转振动效应ΘR/Υ。一般较小(Θ,R分别为扭转角和结构的回转半径。ΘR表示由于扭转产生的离质心距离为回转半径处的位移，Υ为质心位移)，即使结构的刚度偏心很大，偏心距。达到0.7R，其相对扭转变形ΘR/Υ值亦仅为0.2。而当周期比`T_1`/`T_1`.大于0.85以后，相对扭振效应ΘR/Υ值急剧增加。即使刚度偏心很小，偏心距E仅为0.1R，当周期比`T_1`/`T_1`等于0.85时，相对扭转变形ΘR/Υ值可达0.25;当周期比`T_1`/`T_1`接近1时，相对扭转变形ΘR/Υ值可达0.5。由此可见，抗震设计中应采取措施减小周期比`T_1`/`T_1`值，使结构具有必要的抗扭刚度。表3-7
从表中还可以看出，结构的第一振型是以平动为主的平动与扭转混合振型(其平动振动系数为0.90,扭转振动系数为0.10)，结构以扭转振动为主的第一自振周期T，与平动振动为主的第一自振周期`T_1`之比为`T_1`/`T_1`=4.929/1.210 = 0.768，符合《高规》第4.3.5条A级高度高层建筑不应大于0.9的要求。
(3)目前在工程设计中应用的多数计算分析方法和计算机软件，都假定楼板在平面内不变形，平面内刚度为无限大，这对于大多数工程来说是可以接受的。但当楼板有大的凹人、大的开洞时，楼板在平面内削弱过大，楼板产生显著的变形，这时刚性楼板的假定不再适用，要采用考虑楼板变形影响的计算方法和相应的计算程序。考虑楼板的实际刚度可以采用将楼板等效为受弯水平梁的简化方法，也可以将楼板划分为单元后采用有限单元法进行计算。
(4) 级高度的高层建筑结构和《高规》第10章规定的复杂高层建筑结构，应符合下列要求:
1)应采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力位移计算;
2)抗震计算时，宜考虑平扭藕连计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%; 3)应采用弹性时程分析法进行补充计算;
4)宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。
5)对竖向不规则的高层建筑结构，包括某楼层抗侧刚度小于其上一层的70%或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80% ,或结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震
剪力应乘以1.15的增大系数;结构的计算分析应符合《高规》第5.1.13条的规定，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。
3.12多高层建筑结构水平位移限值的目的是什么?
多高层建筑结构应具有必要的刚度，在正常使用条件下限制建筑结构层间位移的主要目的为;第一，保证主要结构基本处于弹性受力状态，对钢筋混凝土结构要避免混凝土墙或柱出现裂缝;将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度限制在规范允许范围之内。第二，保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好，避免产生明显损坏。因此，《高规》第4.6.3条规定了按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比△U/H的限值。
3.13楼层层间最大位移△U是怎样计算的?
正常使用条件下的结构水平位移是按地震小震考虑，即50年设计基准期超越概率10%的地震加速度的多遇地震考虑，比设防烈度约低1.55度的设计基本地震加速度计算确定;风荷载按50年或100年一遇的风压标准值计算确定。
第I层的△U/H指第I层和第I-1层在楼层平面各处位移差△U=`U_1`-`U_(I-1`中的最大值与层高之比，不扣除整体弯曲变形。由于多高层建筑结构在水平力(水平地震作用或风荷载)作用下几乎都会产生扭转，所以△U的最大值一般在结构单元的边角部位。
高层建筑结构的水平地震作用下最大位移，应在单向水平地震作用时不考虑偶然偏心的影响，采用考虑扭转藕联振动影响的振型分解反应谱法进行计算，并应采用刚性楼板假定。
3.14为什么要进行薄弱层弹塑性变形计算?
震害表明，结构如果存在薄弱层，在强烈地震作用下结构薄弱部位将产生较大的弹塑性变形，会引起结构严重破坏甚至倒塌。因此。《高规》第5.5.1条规定了对某些抗震设计的高层建筑结构，在罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算;第4.6.5条规定了层间弹塑性位移角限值;第5.5.1条至5.5.3条规定了弹塑性变形计算方法;第5.1.13条规定，B级高度的高层建筑结构和第10章的复杂高层建筑结构宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。
弹塑性动力分析，即弹塑性时程分析，目前各有关国家还处于研究阶段，尚缺乏比较成熟的实用分析软件。弹塑性静力分析方法，即结构非线性计算( PUSHOVER推覆分析)，目前许多院校和研究单位都可进行计算，中国建筑标准设计研究所的北京金土木软件技术有限公司新推出国际建筑结构通用软件ETARS中文版可以进行此项计算。
3.15《高规》为什么规定舒适度要求? 高层建筑在风荷载作用下将产生振动，过大的振动加速度将使在高楼内居住的人们感觉不舒适，甚至不能忍受，直接影响工作和生活，不舒适程度与建筑物的加速度关系如表3-8所示。
《高规》第4.6.6条规定，高度超过150M的高层建筑结构应具有良好的使用条件、满足舒适度要求，按10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度`Α_MAX`不应超过表3-9中数值。