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摘要：针对混凝土结构重要部位的延性、整体稳定性、剪力墙及地下室外墙设设计等方面进行分析，对如何保证钢筋混凝土高层建筑结构的耐久性及稳固性进行讨论。
关键词：钢筋混凝土；高层建筑；结构设计
1 提高结构重要部位的延性,防止截面钢筋超配
1.1 要使高层建筑在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力, 最理想的办法是使结构中所有的构件都具有很高的延性。然而在实际工程中很难完全做到这一点, 比较经济的办法是有选择有重点的提高结构中重要构件或某些构件中关键部位的延性。在结构竖向,对于刚度沿高度均匀分布的、体形较简单的高层建筑,应着重提高底层构件的延性;对于大底盘高层建筑,应着重提高主楼与裙房顶面相衔接的楼层中构件的延性; 对于不规则立面的高层建筑, 应着重加强体形突变处楼层构件的延性;对框支结构,应着重提高底层或底部几层框架的延性。在结构平面位置上,应该着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处构件的延性;对偏心结构,应加大房屋周边特别是刚度较弱一侧构件的延性; 对具有多道抗震防线抗侧力构件, 应着重提高第一道抗震防线构件的延性。
1.2当结构进入弹塑性状态时, 能通过结构的塑性变形吸收地震能量、抗御更高烈度的地震,从而达到“ 中震可修、大震不倒“ 的设防目标,就必须做到“ 强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”,才能使结构在进入弹塑性状态后形成合理的延性较大的屈服机制。在强震作用下,结构的内力是按照各构件的实际承载力进行分配的, 而构件实际承载力的大小和構件截面的实际配筋有关。但是值得注意的一个问题是在实际设计时, 对某些构件的配筋进行放大调整,形成了强梁弱柱、强杆件弱节点的不利情况, 这样做的结果可以保证构件小震不坏, 但是因为形不成延性结构就不能保证大震不倒。再比如将柱子纵筋不恰当的放大后,其截面的实际抗弯承载力会提高很多,地震时实际承受的弯矩很大, 而由实际弯矩算出的剪力也会加大,可是构件的斜截面承载力没有提高,从而形成了所谓的强弯弱剪构件,脆性加大,延性降低。强震时结构的耗能能力和抗震性能都会变得很差,处于不安全状态。因此在设计工作中,必须注意构件截面纵向钢筋的超配现象, 同时也要注意材料的超强问题。
2 剪力墙设计中需要注意的几个问题
2.1 钢筋混凝土抗震墙的延性和破坏形态与墙体的高宽比和超静定次数密切相关。
2.1.1 为了提高抗震墙的变形能力,避免发生剪切破坏,对于一道截面较长的抗震墙,应该利用洞口设置弱连梁,使墙体分为小开口墙、多肢墙或单肢墙,并使每个墙段的高宽比不小于2。所谓弱连梁, 是指在地震作用下各层连梁的总约束弯矩不大于该墙段总地震弯矩的20%;连梁不能太强,以免水平地震作用下某个墙肢出现全截面受拉,这是比较危险的。但是,考虑到耗能,连梁又不能太弱,连梁弱到成为一般小梁时,墙肢就变成单肢墙,而单肢墙的延性很差,仅为多肢墙的一半,且单肢墙仅具有一道抗震防线,超静定次数少,在地震作用下是很不利的。目前,有许多设计人员将结构中门洞连梁、窗洞连梁都改为截面高度极小的二力杆件,这对结构抗震是很不好的。
2.1.2 在实际设计中,对连梁的刚度都要进行折减,这是因为剪力墙的刚度一般都很大,在水平力作用下, 剪力墙中的连梁会因为很大的内力而超过截面允许值, 可靠的办法是让这些连梁先屈服,要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏,连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求, 对连梁的刚度进行折减实际上就是降低其抗弯能力。
2.2 规范规定,剪力墙在端部应设置暗柱、端柱等边缘构件。
这些边缘构件的作用相当于砖混结构的约束柱,当结构的刚度较小,地震作用下层间位移和顶点位移较大时,边缘构件所起的作用也就越大,此时暗柱的截面和配筋就应加大。如果剪力墙的总截面面积与楼层面积之比值较大时, 且房屋高度较小、楼座面积较大时,墙端部的暗柱面积和配筋量就不需按规范要求设置那么多。1985 年智利大地震时, 有300 多栋钢筋混凝土剪力墙结构的破坏较轻,但它们的墙端并无较好的约束。这就是最好的证明。
3注意高大建筑的整体稳定性
对高层建筑来说,在抗震设计中,房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定性、承载能力和经济合理性的宏观控制；在结构设计满足本规程规定的承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求后，仅从结构安全角度讲高宽比限值不是必须满足的，主要影响结构设计的经济性。建筑物的高宽比愈大,也就是说建筑愈瘦高,在地震作用下的侧移就愈大,地震引起的倾覆作用就愈严重,巨大的倾覆力矩在柱中和基础中引起的拉力和压力比较难处理。结合几年来的工程实践, 有以下几点体会。
3.1 对整个建筑进行抗倾覆稳定性验算,使地震作用下的倾覆力矩与相应的重力荷载在基础与地基交界面上的合力作用点, 不应超出力矩作用方向抗倾覆构件基础边长的1/4。
3.2 加大建筑物下部几层的宽度, 使其满足规范高宽比的限值, 但尽可能避免形成大底盘建筑。必要时通过设置类似扶壁的钢筋混凝土构件,来增加基础底板的悬挑宽度, 达到扩大基础底面积的效果,从而保证上部结构的稳定。
3.3 使基础有足够的埋置深度。在部分设计图纸上, 发现裙楼和高层主楼从地上到地下用变形缝彻底分开, 导致主楼基础埋深不够或者根本没有埋深,地震时会使建筑物发生滑移、整体倾斜甚至倾覆。这个问题必须引起注意。
3.4 对于高宽比很大的高层建筑, 建议尽可能采用深基础,即采用配有钢筋的桩基础,桩基础钢筋在承台内的锚固长度要足够大。因为桩是埋在土中的细长构件,由于桩土摩擦力的存在,桩的抗拔性能较好, 从而能很好地抵抗上部结构的倾覆。
4超长结构的温度变形和混凝土干缩变形
《高层建筑混凝土结构技术规程》3.4.12条规定：在室内条件下现浇框架结构伸缩缝的最大间距为55m, 现浇剪力墙结构伸缩缝的最大间距为45m;在露天条件下结构伸缩缝的间距还要小, 这样规定的目的就是解决两个方面的问题:
4.1 现浇混凝土在凝固硬化时会产生收缩应力,以致在结构中形成干缩裂缝,结构越长,干缩的影响越大。
4.2 结构在使用其间必然要经过春夏秋冬季节的变化, 大气温度的变化会使结构产生热胀冷缩,从而在结构中造成温度裂缝,同样,结构越长,温度的影响越大。
在实际工程中超长建筑物常常出现。如果按规定去设伸缩缝, 就会出现双墙、双柱、双梁,给建筑物的立面处理、防水构造带来很大的困难。为了解决超长结构混凝土干缩裂缝的问题, 目前常常采用的一种办法是设置混凝土后浇带,，但是后浇带不能代替结构的温度伸缩缝。由于混凝土收缩需要相当长的时间，一般在45天后收缩大约可以完成60%，故笔者建议采用另一种方法，根据《补偿收缩混凝土应用技术规程（JGJ/T 178-2009）》，采用补偿收缩混凝土结合膨胀加强带方法，补偿收缩混凝土的养护期不得少于14天，这样可以有效的减少后浇带养护时间长给施工单位带来的施工难度。
有资料表明,在温差作用下,结构的应力变化规律如下:1)屋面或屋面下1 层～2 层应力较大,以下各层迅速递减;2)同一层楼板处中间应力大,两边应力小;3)对剪力墙来讲则是两端应力大,中间应力小;4)对于山墙来讲顶部几层的拉应力大;5) 结构刚度突变的一层应力大,比如结构转换层上面的那一层。根据以上温度应力变化规律, 对于超长结构就可以采取以下措施:1)加强屋面、外墙面的保温隔热措施,减少阳光对结构的直接辐射;2) 对温度应力较大的部位加强配筋,温度钢筋要设置的细而密;3)对屋顶外露挑檐板、女儿墙等构件,每隔15m 左右设置一道缝,缝宽20mm,缝内纵向钢筋可以不断开。
5 屋面高大女儿墙的设计方法
对于高层建筑,为了照顾立面效果,屋顶女儿墙往往做的很高, 其荷载效应对主体结构的影响越来越明显,这一点常常被设计者所忽略。在设计上,女儿墙无法直接参与主体结构的分析,所以在计算时往往仅考虑女儿墙的自重, 当女儿墙较低时,这种方法是符合精度要求的,不会影响结构的安全;但是,随着女儿墙高度的增加,其地震荷载和风荷载效应也在增加, 对主体结构的影响越来越大。因此,当女儿墙较高时,要仔细计算女儿墙所受水平荷载的情况。由于其侧向刚度较小,女儿墙一般采用钢筋混凝土材料, 配筋计算可按支承于屋顶的悬臂板来考虑,且应配双层钢筋。为保证屋面女儿墙与主体结构的可靠连接, 屋面女儿墙所在的框架梁或墙必须具有足够的抗弯、抗扭刚度,即对框架梁要根据女儿墙的底部计算弯矩配置受扭钢筋。对女儿墙的计算,主要应该验算在正常使用情况下由风荷载引起的内力并进行截面配筋。有人认为应进行地震作用计算,并将其地震作用乘以放大系数3 来进行内力、配筋计算,认为一般情况此法没有必要; 因为女儿墙在结构中毕竟是次要构件,只要通过合理的构造措施,来保证发生强烈地震时, 女儿墙不致于倒塌掉下来伤人即可。
6 地下室外墙的设计方法
在一般情况下,地下室外墙所承受的主要荷载为结构自重、地面活载、侧向土压力等。在我国已建成的高层建筑中, 地下室外墙的墙厚和配筋相差很大, 墙厚在200mm～700mm 之间, 配筋在565mm2～4909mm2 之间, 可见在结构可靠与经济之间选择一个合理的平衡, 始终是一个值得探讨的课题。地下室外墙的受力状况与上部结构类型及平面布置有很大关系。当上部结构为框架结构时,上部填充砌体及±0.00 樓板对地下室外墙顶端的约束程度很小,此时可假定墙体顶端为铰接。当上部结构为钢筋混凝土剪力墙结构时,剪力墙及±0.00 楼板对地下室外墙顶部的约束程度很大,此时可假定墙壁顶端为固接。基础的刚度一般远大于墙体刚度,所以墙的下端一般视为固定端。在实际情况中,考虑到边界条件不十分明确,为安全起见,可对同一边界采用两种不同的假设,如按端部固定计算墙端弯矩,按端部铰接计算墙跨中弯矩。一般来讲,当上部结构为框架时,地下室外墙的墙厚和配筋要大些;当上部结构为剪力墙时,由于正压应力的存在,墙体厚度和配筋相对要小些。计算表明,外墙壁配筋满足裂缝宽度要求后,一般能同时满足承载力计算和构造要求; 而当外墙配筋满足承载力计算时, 却不一定满足最大裂缝宽度允许值要求。有人认为外墙内外侧配筋应根据内力值计算大小分别配置,其实没有必要,最好等量对称配筋。另外,外墙厚度还要考虑防水要求,不应小于250mm, 混凝土的抗渗等级不应小于S6(0.6MPa)。
7 结语
结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。设计人员要从一个个基本的构件算起，做到知其所以然，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计，在工作中应事无巨细，善于反思和总结工作中的经验和教训。
关键词：钢筋混凝土；高层建筑；结构设计
1 提高结构重要部位的延性,防止截面钢筋超配
1.1 要使高层建筑在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力, 最理想的办法是使结构中所有的构件都具有很高的延性。然而在实际工程中很难完全做到这一点, 比较经济的办法是有选择有重点的提高结构中重要构件或某些构件中关键部位的延性。在结构竖向,对于刚度沿高度均匀分布的、体形较简单的高层建筑,应着重提高底层构件的延性;对于大底盘高层建筑,应着重提高主楼与裙房顶面相衔接的楼层中构件的延性; 对于不规则立面的高层建筑, 应着重加强体形突变处楼层构件的延性;对框支结构,应着重提高底层或底部几层框架的延性。在结构平面位置上,应该着重提高房屋周边转角处、平面突变处以及复杂平面各翼相接处构件的延性;对偏心结构,应加大房屋周边特别是刚度较弱一侧构件的延性; 对具有多道抗震防线抗侧力构件, 应着重提高第一道抗震防线构件的延性。
1.2当结构进入弹塑性状态时, 能通过结构的塑性变形吸收地震能量、抗御更高烈度的地震,从而达到“ 中震可修、大震不倒“ 的设防目标,就必须做到“ 强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”,才能使结构在进入弹塑性状态后形成合理的延性较大的屈服机制。在强震作用下,结构的内力是按照各构件的实际承载力进行分配的, 而构件实际承载力的大小和構件截面的实际配筋有关。但是值得注意的一个问题是在实际设计时, 对某些构件的配筋进行放大调整,形成了强梁弱柱、强杆件弱节点的不利情况, 这样做的结果可以保证构件小震不坏, 但是因为形不成延性结构就不能保证大震不倒。再比如将柱子纵筋不恰当的放大后,其截面的实际抗弯承载力会提高很多,地震时实际承受的弯矩很大, 而由实际弯矩算出的剪力也会加大,可是构件的斜截面承载力没有提高,从而形成了所谓的强弯弱剪构件,脆性加大,延性降低。强震时结构的耗能能力和抗震性能都会变得很差,处于不安全状态。因此在设计工作中,必须注意构件截面纵向钢筋的超配现象, 同时也要注意材料的超强问题。
2 剪力墙设计中需要注意的几个问题
2.1 钢筋混凝土抗震墙的延性和破坏形态与墙体的高宽比和超静定次数密切相关。
2.1.1 为了提高抗震墙的变形能力,避免发生剪切破坏,对于一道截面较长的抗震墙,应该利用洞口设置弱连梁,使墙体分为小开口墙、多肢墙或单肢墙,并使每个墙段的高宽比不小于2。所谓弱连梁, 是指在地震作用下各层连梁的总约束弯矩不大于该墙段总地震弯矩的20%;连梁不能太强,以免水平地震作用下某个墙肢出现全截面受拉,这是比较危险的。但是,考虑到耗能,连梁又不能太弱,连梁弱到成为一般小梁时,墙肢就变成单肢墙,而单肢墙的延性很差,仅为多肢墙的一半,且单肢墙仅具有一道抗震防线,超静定次数少,在地震作用下是很不利的。目前,有许多设计人员将结构中门洞连梁、窗洞连梁都改为截面高度极小的二力杆件,这对结构抗震是很不好的。
2.1.2 在实际设计中,对连梁的刚度都要进行折减,这是因为剪力墙的刚度一般都很大,在水平力作用下, 剪力墙中的连梁会因为很大的内力而超过截面允许值, 可靠的办法是让这些连梁先屈服,要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏,连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求, 对连梁的刚度进行折减实际上就是降低其抗弯能力。
2.2 规范规定,剪力墙在端部应设置暗柱、端柱等边缘构件。
这些边缘构件的作用相当于砖混结构的约束柱,当结构的刚度较小,地震作用下层间位移和顶点位移较大时,边缘构件所起的作用也就越大,此时暗柱的截面和配筋就应加大。如果剪力墙的总截面面积与楼层面积之比值较大时, 且房屋高度较小、楼座面积较大时,墙端部的暗柱面积和配筋量就不需按规范要求设置那么多。1985 年智利大地震时, 有300 多栋钢筋混凝土剪力墙结构的破坏较轻,但它们的墙端并无较好的约束。这就是最好的证明。
3注意高大建筑的整体稳定性
对高层建筑来说,在抗震设计中,房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定性、承载能力和经济合理性的宏观控制；在结构设计满足本规程规定的承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求后，仅从结构安全角度讲高宽比限值不是必须满足的，主要影响结构设计的经济性。建筑物的高宽比愈大,也就是说建筑愈瘦高,在地震作用下的侧移就愈大,地震引起的倾覆作用就愈严重,巨大的倾覆力矩在柱中和基础中引起的拉力和压力比较难处理。结合几年来的工程实践, 有以下几点体会。
3.1 对整个建筑进行抗倾覆稳定性验算,使地震作用下的倾覆力矩与相应的重力荷载在基础与地基交界面上的合力作用点, 不应超出力矩作用方向抗倾覆构件基础边长的1/4。
3.2 加大建筑物下部几层的宽度, 使其满足规范高宽比的限值, 但尽可能避免形成大底盘建筑。必要时通过设置类似扶壁的钢筋混凝土构件,来增加基础底板的悬挑宽度, 达到扩大基础底面积的效果,从而保证上部结构的稳定。
3.3 使基础有足够的埋置深度。在部分设计图纸上, 发现裙楼和高层主楼从地上到地下用变形缝彻底分开, 导致主楼基础埋深不够或者根本没有埋深,地震时会使建筑物发生滑移、整体倾斜甚至倾覆。这个问题必须引起注意。
3.4 对于高宽比很大的高层建筑, 建议尽可能采用深基础,即采用配有钢筋的桩基础,桩基础钢筋在承台内的锚固长度要足够大。因为桩是埋在土中的细长构件,由于桩土摩擦力的存在,桩的抗拔性能较好, 从而能很好地抵抗上部结构的倾覆。
4超长结构的温度变形和混凝土干缩变形
《高层建筑混凝土结构技术规程》3.4.12条规定：在室内条件下现浇框架结构伸缩缝的最大间距为55m, 现浇剪力墙结构伸缩缝的最大间距为45m;在露天条件下结构伸缩缝的间距还要小, 这样规定的目的就是解决两个方面的问题:
4.1 现浇混凝土在凝固硬化时会产生收缩应力,以致在结构中形成干缩裂缝,结构越长,干缩的影响越大。
4.2 结构在使用其间必然要经过春夏秋冬季节的变化, 大气温度的变化会使结构产生热胀冷缩,从而在结构中造成温度裂缝,同样,结构越长,温度的影响越大。
在实际工程中超长建筑物常常出现。如果按规定去设伸缩缝, 就会出现双墙、双柱、双梁,给建筑物的立面处理、防水构造带来很大的困难。为了解决超长结构混凝土干缩裂缝的问题, 目前常常采用的一种办法是设置混凝土后浇带,，但是后浇带不能代替结构的温度伸缩缝。由于混凝土收缩需要相当长的时间，一般在45天后收缩大约可以完成60%，故笔者建议采用另一种方法，根据《补偿收缩混凝土应用技术规程（JGJ/T 178-2009）》，采用补偿收缩混凝土结合膨胀加强带方法，补偿收缩混凝土的养护期不得少于14天，这样可以有效的减少后浇带养护时间长给施工单位带来的施工难度。
有资料表明,在温差作用下,结构的应力变化规律如下:1)屋面或屋面下1 层～2 层应力较大,以下各层迅速递减;2)同一层楼板处中间应力大,两边应力小;3)对剪力墙来讲则是两端应力大,中间应力小;4)对于山墙来讲顶部几层的拉应力大;5) 结构刚度突变的一层应力大,比如结构转换层上面的那一层。根据以上温度应力变化规律, 对于超长结构就可以采取以下措施:1)加强屋面、外墙面的保温隔热措施,减少阳光对结构的直接辐射;2) 对温度应力较大的部位加强配筋,温度钢筋要设置的细而密;3)对屋顶外露挑檐板、女儿墙等构件,每隔15m 左右设置一道缝,缝宽20mm,缝内纵向钢筋可以不断开。
5 屋面高大女儿墙的设计方法
对于高层建筑,为了照顾立面效果,屋顶女儿墙往往做的很高, 其荷载效应对主体结构的影响越来越明显,这一点常常被设计者所忽略。在设计上,女儿墙无法直接参与主体结构的分析,所以在计算时往往仅考虑女儿墙的自重, 当女儿墙较低时,这种方法是符合精度要求的,不会影响结构的安全;但是,随着女儿墙高度的增加,其地震荷载和风荷载效应也在增加, 对主体结构的影响越来越大。因此,当女儿墙较高时,要仔细计算女儿墙所受水平荷载的情况。由于其侧向刚度较小,女儿墙一般采用钢筋混凝土材料, 配筋计算可按支承于屋顶的悬臂板来考虑,且应配双层钢筋。为保证屋面女儿墙与主体结构的可靠连接, 屋面女儿墙所在的框架梁或墙必须具有足够的抗弯、抗扭刚度,即对框架梁要根据女儿墙的底部计算弯矩配置受扭钢筋。对女儿墙的计算,主要应该验算在正常使用情况下由风荷载引起的内力并进行截面配筋。有人认为应进行地震作用计算,并将其地震作用乘以放大系数3 来进行内力、配筋计算,认为一般情况此法没有必要; 因为女儿墙在结构中毕竟是次要构件,只要通过合理的构造措施,来保证发生强烈地震时, 女儿墙不致于倒塌掉下来伤人即可。
6 地下室外墙的设计方法
在一般情况下,地下室外墙所承受的主要荷载为结构自重、地面活载、侧向土压力等。在我国已建成的高层建筑中, 地下室外墙的墙厚和配筋相差很大, 墙厚在200mm～700mm 之间, 配筋在565mm2～4909mm2 之间, 可见在结构可靠与经济之间选择一个合理的平衡, 始终是一个值得探讨的课题。地下室外墙的受力状况与上部结构类型及平面布置有很大关系。当上部结构为框架结构时,上部填充砌体及±0.00 樓板对地下室外墙顶端的约束程度很小,此时可假定墙体顶端为铰接。当上部结构为钢筋混凝土剪力墙结构时,剪力墙及±0.00 楼板对地下室外墙顶部的约束程度很大,此时可假定墙壁顶端为固接。基础的刚度一般远大于墙体刚度,所以墙的下端一般视为固定端。在实际情况中,考虑到边界条件不十分明确,为安全起见,可对同一边界采用两种不同的假设,如按端部固定计算墙端弯矩,按端部铰接计算墙跨中弯矩。一般来讲,当上部结构为框架时,地下室外墙的墙厚和配筋要大些;当上部结构为剪力墙时,由于正压应力的存在,墙体厚度和配筋相对要小些。计算表明,外墙壁配筋满足裂缝宽度要求后,一般能同时满足承载力计算和构造要求; 而当外墙配筋满足承载力计算时, 却不一定满足最大裂缝宽度允许值要求。有人认为外墙内外侧配筋应根据内力值计算大小分别配置,其实没有必要,最好等量对称配筋。另外,外墙厚度还要考虑防水要求,不应小于250mm, 混凝土的抗渗等级不应小于S6(0.6MPa)。
7 结语
结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。设计人员要从一个个基本的构件算起，做到知其所以然，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计，在工作中应事无巨细，善于反思和总结工作中的经验和教训。