摘要:概念設(shè)計是展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計思想的關(guān)鍵,一個結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計,并能有正確意識地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。下面對近幾年設(shè)計的高層建筑的適宜剛度、破壞機(jī)制、抗震、抗風(fēng)四個方面的內(nèi)容進(jìn)行了簡要的分析。
　　關(guān)鍵詞:高層建筑；結(jié)構(gòu)概念設(shè)計；設(shè)計原則
　　1掌握樓層結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制和塑化過程
　　樓層破壞機(jī)制,整體破壞機(jī)制是建筑結(jié)構(gòu)的兩種破壞機(jī)制(如圖)。

　　圖1樓層破壞機(jī)制                     圖2整體破壞機(jī)制
　　設(shè)計中應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生樓層破壞機(jī)制,這種破壞出現(xiàn)說明柱中存在簿弱環(huán)節(jié)(尤其是核芯區(qū)),在其它構(gòu)件未充分發(fā)揮作用之前,結(jié)構(gòu)已提前破壞。設(shè)計人員就是要盡量使建筑物達(dá)到整體破壞機(jī)制,但要使設(shè)計的建筑達(dá)到整體破壞是不容易的。首先地震作用是隨機(jī)的,其次建筑施工質(zhì)量好壞、混凝土強(qiáng)度等級、鋼筋替代、配筋大小都會影響設(shè)計意圖。盡管如此,我們的責(zé)任和目的還是努力使結(jié)構(gòu)達(dá)到理想的破壞機(jī)制。上圖是框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的理想破壞機(jī)制。下面分別對框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一剪力墻結(jié)
　　構(gòu)三種結(jié)構(gòu)整體破壞機(jī)制介紹如下:
　　1．1框架結(jié)構(gòu)
　　理想破壞機(jī)制如上圖1。框架在地震力作用下首先在梁端出現(xiàn)塑性鉸,塑性鉸出現(xiàn)后,剛度明顯下降,自震周期加長,地震作用減小,受力狀態(tài)得以改善。如強(qiáng)震繼續(xù)作用,那么底層柱彎距增大,導(dǎo)致下部出現(xiàn)塑性鉸,結(jié)構(gòu)進(jìn)入運(yùn)動狀態(tài),很可能房屋會倒塌。為避免這種情況的發(fā)生,提高柱底的結(jié)構(gòu)可靠性,提高延性,推遲這一部位塑性鉸出現(xiàn),在市綜合技術(shù)大樓設(shè)計中,底層柱混凝土強(qiáng)度等級為C35,配筋基本按計算配置,柱底部在構(gòu)造措施上加強(qiáng),配筋率有所提高。
　　1．2剪力墻結(jié)構(gòu)
　　剪力墻分為剪力墻、聯(lián)肢剪力墻兩種。剪力墻剛度很大,抗彎和抗剪的強(qiáng)度設(shè)計是設(shè)計的主要目的。剪力墻塑化過程是在底部出現(xiàn)塑性鉸,因此設(shè)計應(yīng)盡量提高這一部位的延性,對其抗彎、抗剪可靠性予以提高。為了不使塑性鉸在剪力墻底部發(fā)生,規(guī)范規(guī)定了提高彎距來計算抗彎和抗剪鋼筋。市綜合技術(shù)大樓剪力墻根據(jù)計算配筋只需Φ14@200,但為了加強(qiáng)底部我們按規(guī)范的構(gòu)造要求加到了Φ16@200。聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu),塑化歷程是在連肢梁上出現(xiàn)塑性鉸,吸收地震能量,改變建筑物整體剛度,減小建筑物承受的地震作用,有強(qiáng)震繼續(xù)作用,會導(dǎo)致底部出現(xiàn)塑性鉸,建筑物的變形急劇增大并喪失穩(wěn)定。從剪力墻、聯(lián)肢剪力墻理想破壞機(jī)制看,設(shè)計的關(guān)鍵問題是底部的抗彎、抗剪強(qiáng)度,在設(shè)計中提高這一部位的可靠性,注意延性設(shè)計,就可以保證建筑物在地震中的安全性。
　　1．3框架一剪力墻結(jié)構(gòu)
　　其塑化歷程先在連肢梁中出現(xiàn)塑性鉸,后在剪力墻底部出現(xiàn)塑性鉸,再向后發(fā)展才是框架梁上,最后是柱底部出現(xiàn)塑性鉸。框架剛度較小,重點(diǎn)在延性設(shè)計;剪力墻剛度大,首先是強(qiáng)度設(shè)計,其次是延性設(shè)計。由上述可得出框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計首先是強(qiáng)度設(shè)計,其次是延性設(shè)計。市綜合技術(shù)大樓的設(shè)計就是按這一順序來進(jìn)行的,首先滿足結(jié)構(gòu)斷面尺寸,其次按計算配置鋼筋。
　　2抗震設(shè)計原則
　　2．1等強(qiáng)度與耗能設(shè)計原則
　　結(jié)構(gòu)設(shè)計一定要避免設(shè)計不當(dāng),造成在地震力作用下部分主要構(gòu)件破壞,或是整幢建筑物連續(xù)破壞的局面,故結(jié)構(gòu)整體設(shè)計要注意加強(qiáng)薄弱部位,盡量做到等強(qiáng)度。如角柱的配筋適當(dāng)加強(qiáng),防止角柱先破壞,以免引起其它部位的破壞。中心大樓合樓在設(shè)計中所有角柱都按計算的配筋增加了0.1%鋼筋,以避免在地震力作用下受扭而首先破壞。另一方面,還要考慮結(jié)構(gòu)好的耗能系統(tǒng),耗能系統(tǒng)的作用主要是在強(qiáng)震下,使建筑物產(chǎn)生塑性變形,設(shè)計中在某些部位要人為地制造若干薄弱環(huán)節(jié),以便比較容易產(chǎn)生一些塑性鉸消耗大量的能量,增大結(jié)構(gòu)的整體延性。
　　2．2結(jié)構(gòu)延性設(shè)計原則
　　地震區(qū)搞設(shè)計必須對結(jié)構(gòu)延性有清晰的概念。結(jié)構(gòu)延性一般用延性系數(shù)來表示,它表示的是結(jié)構(gòu)破壞變形△(位移、轉(zhuǎn)角、曲率)與屈服變形△Y的比值。即:u=△u/△y延性越大,則結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下可忍受大的塑性變形而不致倒塌、破壞,即結(jié)構(gòu)延性好。通常,為保證結(jié)構(gòu)有良好的抗震性能,一般要求>4。混凝土延性系數(shù)一般是1～2,提高混凝土強(qiáng)度等級,延性系數(shù)稍有增加,影響不大。鋼筋則不同,延性很好,級別低則延性好,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性主要靠鋼筋延性來實(shí)現(xiàn),因此在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意鋼筋級別、配筋率大小、構(gòu)造措施等。
　　2．3強(qiáng)柱弱梁設(shè)計原則
　　這個原則在框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中是很重要的原則,其目的是為了保證在強(qiáng)震下,框架結(jié)構(gòu)的塑性鉸在梁上產(chǎn)生,而不發(fā)生在柱上。使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震時能降低地震對結(jié)構(gòu)的作用。增大結(jié)構(gòu)延性,使框架產(chǎn)生塑性變形。假如不按這一原則設(shè)計,柱子會先產(chǎn)生塑性鉸,結(jié)構(gòu)樓層破壞,導(dǎo)致建筑物倒塌。因此,應(yīng)按規(guī)范要求采取必要的結(jié)構(gòu)措施,使粱先于柱產(chǎn)生塑性鉸。市綜合技術(shù)大樓考慮到這一原則,柱子軸壓比控制在0.5～0.8之間,梁配筋率不大于2.5%。
　　2．4充分考慮地震耦合作用
　　地震是非平穩(wěn)隨機(jī)過程,它對建筑物作用是綜合的,不是單一的,是水平,垂直、扭轉(zhuǎn)三個分量同時作用的,我們應(yīng)充分考慮地震的耦合作用。地震耦合作用時,應(yīng)考慮以下5個方面的內(nèi)容:①地震作用的水平分量;②地震作用的垂直分量;③地震的扭轉(zhuǎn)分量;④地震時的擺動作用;⑤場地地面振動與建筑結(jié)構(gòu)振動發(fā)生共振問題。我們用SAT程序計算時,根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》、《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范,考慮到耦聯(lián)與不考慮耦聯(lián)地震力有所加大,同時中心大樓計算考慮了耦聯(lián)。
　　2．5三水準(zhǔn)設(shè)防原則
　　三水準(zhǔn)設(shè)防的要求:“小震不壞、中震可修、大震不倒”。小震是指比基本地震烈度小l度左右的地震烈度,大震是指比基本地震烈度高l度左右的地震烈度。三水準(zhǔn)設(shè)防原則是當(dāng)今世界公認(rèn)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計準(zhǔn)則,也是我國抗震設(shè)計的指導(dǎo)思想之一。三水準(zhǔn)具體內(nèi)容是:
　　第一水準(zhǔn):高層建筑在使用期間,對遭遇頻率較高,強(qiáng)度較低的地震時,結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性狀態(tài),建筑物完好。對地震作用只考慮地震影響系數(shù),不考慮剛度折減,計算所得變形也不考慮塑性變形影響。第二水準(zhǔn):建筑物在基本烈度地震作用下,允許結(jié)構(gòu)達(dá)到或超過屈服極限(鋼筋混凝土?xí)�產(chǎn)生裂縫),產(chǎn)生彈塑性變形,依靠結(jié)構(gòu)塑性耗能能力,使結(jié)構(gòu)得以保持穩(wěn)定,保存下來,經(jīng)過修復(fù)可使用,結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)按變形要求進(jìn)行。第三水準(zhǔn):在預(yù)先估計到的罕見地震作用下,結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性大變形狀態(tài),部分產(chǎn)生破壞,但應(yīng)防止結(jié)構(gòu)倒塌,避免危及生命安全。這一階段考慮防倒塌設(shè)計。
　　2．6建筑結(jié)構(gòu)的自振周期
　　建筑結(jié)構(gòu)自振周期是重要的動力特性,自振周期與很多因素有關(guān),場地土類別、場地土類型、建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式及埋深、建筑結(jié)構(gòu)整體剛度等,但最主要的還是建筑結(jié)構(gòu)本身剛度。在風(fēng)荷載和小震作用下,其周期是不變或變化很小的。在強(qiáng)震作用下,自振周期就不是定量,而是一個變量。非承重結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,承重結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性鉸并逐漸增多,剛度變小結(jié)構(gòu)自振周期延長,地震作用隨之不斷減小。但在一些情況下,又表現(xiàn)與結(jié)構(gòu)周期無關(guān),如自振周期大于3.0s或小于場地土的卓越周期時。這就是說不管哪類場地土,在地震作用下,建筑在地基上是做整體振動的,而剛度大,地震不參與建筑結(jié)構(gòu)振動,只是結(jié)構(gòu)本身在振動。市綜合技術(shù)大樓結(jié)構(gòu)自振周期避開了場地卓越周期(0.169s～0.171s),自振周期根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式控制在0.08n～0.1n(n為建筑物的層數(shù))秒這個范圍內(nèi),并且小于3秒,基本按上述條件做了控制。
　　3抗風(fēng)設(shè)計原則
　　風(fēng)作用是外界施加在建筑物上的作用,是從空中傳遞過來的,風(fēng)作用使建筑物受到雙重作用:一方面風(fēng)力使建筑物受到一個基本上比較穩(wěn)定的風(fēng)壓力;另一方面風(fēng)又使建筑物產(chǎn)生風(fēng)力振動。風(fēng)作用具有靜力和動力雙重性質(zhì),在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時我們應(yīng)充分予以考慮,風(fēng)作用具有以下幾個特點(diǎn):
　　(1)風(fēng)作用是施加在結(jié)構(gòu)外表面上的荷載,其大小與建筑物的外形和尺寸有關(guān),園形、正多邊形受到風(fēng)力最小,對抗風(fēng)有利,相反平面復(fù)雜風(fēng)力較大,容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)對抗風(fēng)不利。隨著建筑物高度增加風(fēng)力加大,建筑物上部風(fēng)作用比下部的要大。
　　(2)對風(fēng)作用來說,建筑物重量是次要因素,建筑物外表面積是主要因素。
　　(3)建筑結(jié)構(gòu)自振越大,對抗風(fēng)是不利的。
　　(4)與地震力比強(qiáng)風(fēng)作用時間長,通常可持續(xù)幾小時。
　　(5)風(fēng)作用受周圍地形、地上建筑物和構(gòu)筑物的強(qiáng)烈影響。
　　(6)風(fēng)作用是很頻繁的,差不多每年都會有大風(fēng)或臺風(fēng)出現(xiàn)。從風(fēng)作用特點(diǎn)可看出,只注重地震作用,而忽視風(fēng)作用是不合理的,我們在設(shè)計中應(yīng)兼顧兩者,對風(fēng)作用我們應(yīng)采取以下措施來改善建筑物抗風(fēng)的能力:
　　(1)保證足夠的剛度及強(qiáng)度,承受風(fēng)作用下產(chǎn)生的內(nèi)力,控制建筑物的位移。
　　(2)選擇合理的結(jié)構(gòu)體系和建筑體型,園形、正多邊形平面可以減小風(fēng)壓數(shù)值。
　　(3)盡量采用對稱的平面形狀和對稱的結(jié)構(gòu)布置,以減小風(fēng)力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)作用影響。
　　(4)外墻、窗玻璃、女兒墻及其它周圍裝飾構(gòu)件必須有足夠的強(qiáng)度,并有可靠的連接,防止產(chǎn)生建筑局部損壞。市綜合技術(shù)大樓抗風(fēng)設(shè)計基本上是按照上述措施進(jìn)行的,建筑平面為矩形,結(jié)構(gòu)布置也是左右對稱的,質(zhì)心和剛心基本重合。
　　4適宜剛度
　　建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,剛度的大小直接影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。調(diào)整剛度中心是解決扭轉(zhuǎn)的有效途徑在大量的工程設(shè)計實(shí)例中發(fā)現(xiàn)。
　　表1

　　
　　注:計算采用SAT程序
　　對于高層建筑,即使結(jié)構(gòu)布置是對稱的,由于質(zhì)量分布很難做到均勻?qū)ΨQ,質(zhì)心和剛心的分離是在所難免的。當(dāng)建筑層數(shù)很多時,上部各層偏心引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在下層的積累更對下部幾層不利。即使是很對稱的結(jié)構(gòu)或正交結(jié)構(gòu),周期比也會不滿足規(guī)范。因此在結(jié)構(gòu)布置時,除了要求各向?qū)ΨQ外,還應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有較大的抗扭剛度。增加四周結(jié)構(gòu)的剛度,在結(jié)構(gòu)外圍增加墻體、減少核心簡的剛度、增加外圍連梁的高度等可以控制周期比,使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期靠后,從而滿足規(guī)范要求。剛度確定后振動加速度應(yīng)小于15%g(g為自由加速度),否則人會有嘔吐癥狀。另外,剛度決定的結(jié)構(gòu)自振周期與場地的卓越周期應(yīng)避開,以避免發(fā)生共振,造成建筑物破壞、倒塌。剛度大小基本上可從自振周期、總位移得到反應(yīng)。周期小、位移小則剛度大,反之則剛度小。我們要確定一個適宜剛度,就要用位移、自振周期控制,要通過幾次或多次試算后方可得出一個適宜剛度。
　　5結(jié)束語
　　分析了高層建筑的建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計相互協(xié)調(diào)的重要性和必要性。因此,筆者認(rèn)為作為建筑工作者,在今后高層建筑的研究與設(shè)計中,應(yīng)從宏觀的角度出發(fā),采用由大到小、自頂向下的原則選定結(jié)構(gòu)型式,使所選結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計在適當(dāng)條件下能使建筑具有形體美和環(huán)境美,且滿足地形、地質(zhì)、材料、施工等條件,綜合處理好功能、技術(shù)、藝術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的矛盾。努力保證結(jié)構(gòu)設(shè)計具有必要的安全可行性,并及時反饋信息,使結(jié)構(gòu)方案更趨于合理,對此我們應(yīng)該提倡采用概念設(shè)計思想來促進(jìn)結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)造性,推動結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展。讓業(yè)主住上更加舒適、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的高層建筑。