高层建筑混凝土结构的稳定设计

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  摘要:随着城市化进程步伐的加快,混凝土作为建筑工程施工中主要的施工材料之一。在实际的建筑施工中,混凝土具有很高的结构强度和刚度等优势,但是,混凝土也容易受环境因素的影响,出现一些裂缝等问题。为了充分发挥混凝土在建筑工程中的优势,需要对混凝土的结构进行优化设计,最大程度的减少因环境因素的影响出现裂缝等现象。同时,随着高层建筑混凝土结构的高度和高宽比的增加,以及建筑内部空间的扩大,其结构重量增加而刚度相对减弱,由此使高层混凝土结构的稳定问题引起了人们的重视和关注。本文结合《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ3一91)的修订,对此问题进行了研究分析。
  关键词:高层建筑;混凝土结构;稳定设计
  中图分类号:TU208文献标识码: A
  一、混凝土结构稳定设计的原则
  混凝土结构中稳定性是一个特别突出的问题。在当前各种类型的混凝土结构中,我们都能碰到稳定问题,如果对于这种问题没有处理好,就会造成不必要的损失。在实际的设计中按照稳定性的问题对其特点听出相关的原则,同时对这些原则进行阐述,使其更能对混凝土的结构稳定设计中的构件进行确保,并且使构件不会丧失稳定性。
  (1)对混凝土结构的整体布置一定要对组成部分和整个体系的稳定性要求进一步进行考虑。当前,大多数混凝土结构都是依据平面体系来进行设计的,例如,框架和桁架都是这样的。确保平面结构不会导致平面失稳,解决此类问题就需要从混凝土结构整体布置来进行,也就是在设计中设计有效的支撑构件。同时,对平面混凝土结构构件的出平面稳定计算一定要和混凝土结构布置互相保持一致。
  (2)对于混凝土结构实用计算方法和计算简图所依据的简图也要保持一致,这对于框架混凝土结构的稳定计算是特别重要的。当前,在进行对单层以及多层框架混凝土结构设计时,往往是不做框架稳定分析而采用的是代之以框架柱的稳定计算。在这种方法中,在对框架柱稳定进行计算时用到的柱计算长度系数,一般可以利用框架整体稳定分析能够得出,才能使柱稳定计算以及框架稳定计算等效。但是,实际的框架是多样化的,在设计中为了能使计算工作简化,就需要设定一些典型条件。
  (3)设计混凝土结构的细部构造以及构件的稳定计算一定要能够相互配合,使两者有一致性。在结构设计中人们都重视的一个问题是,确保混凝土构造设计和结构计算相符合。不传递弯矩以及传递弯矩的节点要求连接,将柔度以及刚度分别进行赋予,设计者在对其构件细部进行考虑中都需要对桁架节点减少杆件偏心进行考虑。然而,在结构的稳定性能中,构造上经常有相同的强度的要求或其他特殊考虑。
  二、高层建筑混凝土结构设计特点
  (1)混凝土结构的干缩变形控制。在国家制定的有关高层建筑结构设计标准当中层明确规定:建筑室内现浇框架结构的伸缩缝间距一定要不超过55mm,但是现浇剪力墙结构的伸缩缝间距则与之不同,其得不超过45mm。事实上,在室外要严控混凝土结构的伸缩缝,并遵循以下几大设计要求:1)结构控制:采用合理、科学布局混凝土后浇带的设计方案以有效处理好高层建筑混凝土结构的干缩变形问题。换言之,就是把大楼板面积等额分成几个小区格,并依据一定秩序校准小区格的混凝土,等到其干缩变形彻底完毕后,再校准区格之间的预留区域内的混凝土,从而顺利地处理好混凝土结构的干缩变形问题;2)干缩裂缝:在现浇混凝土的凝固硬化时往往会衍生出一定的收缩应力,而建筑结构当中会产生不规则的或者规则的干缩裂缝。一般而言,建筑结构形式的长度值与干缩裂缝之间的关系成正比,形式愈长,干缩裂缝愈大。因此,在设计混凝土过程中务必要管控好结构形式的长度值。
  (2)混凝土结构应具有适宜刚度。随着建筑的高度增加,高层建筑的侧向位移高层建筑的侧向位移快速增加。在对高层建筑进行设计中,不但对混凝土结构的强度有所要求,而且也对混凝土结构刚度的有所要求,确保混凝土结构有合理的自振频率等动力特性,同时,还要使水平力作用下的层位移能够被控制在规定的范围。
   (3)混凝土结构应具有良好的延性。和较低楼房进行比较,高层建筑混凝土的结构相对来说更柔一些,其在地震作用下产生的变形更大些。建筑混凝土结构的耐震主要取决于两个因素,分别是混凝土结构的承载力和变形能力。为了确保混凝土结构在产生塑性变形之后还能够有很强的变形能力,这样是为了防止在大震下高层建筑倒塌,一定要在强度被满足的前提下,利用优良的合理的構造以及概念设计措施,来对整个混凝土结构,尤其薄弱层(部位)的变形能力能够提高,这主要是为了确保混凝土结构的延性。所以,在对混凝土结构设计中这些因素需要进行考虑,合理设计,同时也要确保混凝土结构的强度以及刚度和延性。
  三、高层建筑结构中混凝土结构的具体设计方法
  (一)单元结构布局设计的完善
  高层建筑的结构设计的主要内容是对各个单元结构进行独立设计。单元结构设计通常应用于一些建筑结构比较简单、规则的平面设计,在设计过程中,需要注意适当的控制平面结构中的整体、突出部分的长度,确保各个部分的承载力和结构强度均匀。在竖向结构的设计中,通常采用一些比较均匀、规则的设计,能够有效的控制建筑外观与内部结构之间的问题。
  在其设计过程中,设计人员需要制定结构设计方案,以现有的设计理念和设计专业知识作为依据,以高层建筑实用性、安全性和美观作为前提保障,对混凝土结构进行优化设计,保障其各个单位结构在水平方向和竖直方向的结构强度、承载力等均匀合理的分布。
  (二)高强混凝土与钢筋使用的优化
  混凝土和钢筋是高层建筑的主要施工原料,在具体的设计过程中,需要保障在高层建筑质量的前提下,对高强度的混凝土和钢筋的使用进行相关的优化,减少混凝土和钢筋的使用量,提高资源的配置效率。例如,在地壳运动较活跃的地区进行高层建筑设计时,设计人员应该明确高层建筑的重量越大,地震的作用程度就越剧烈,在保障高层建筑的质量的前提下,对其进行优化设计,尽量的减少混凝土和钢筋的使用量,降低振动作用程度,提高其建筑结构的稳定性和安全性,延长其使用年限。
  (三)对剪力墙平面结构设计的合理化
  设计人员在对高层建筑混凝土结构进行优化设计时,还需要重视剪力墙平面结构布局对高层整体建筑结构承载力均匀程度的影响。在进行剪力墙平面结构的优化设计时,主要是通过以下几点:一是将高层建筑的基本结构功能作为其设计的依据,最大程度的将剪力墙进行集中化和均匀化设计;二是找准高层建筑的设计基准,对剪力墙进行双向布置,尽可能的减少使用一些短肢剪力墙。
  四、高层建筑混凝土结构的稳定性设计
  (一)高层建筑混凝土结构的临界荷重
  高层建筑混凝土结构可视为其有中等长细比的悬臂杆,其高宽比一般为3~9。此悬臂杆的整体失稳或整体楼层失稳形态有三种可能:剪切型、弯曲型及弯剪型。纯框架结构的失稳形态一般为剪切型;剪力墙结构的失稳形态为弯曲型或弯剪型:框架一剪力墙、框架一简体等带有剪力墙或筒体的结构,
  (1)剪切型失稳的临界荷重
  剪切型失稳往往是整体楼层的失稳,纯框架的梁、柱因双曲率弯曲产生层间侧向位移,呈现出整个楼层的屈曲。近似计算中,不考虑柱子轴向变形的影响,其临界荷重为:
  
  式中为第i楼层的临界荷重,等于第i层及其以上各楼层重力荷载的总和,Di为第i楼层的抗侧刚度,hi为第i楼层的层高。
  (2)弯曲型和弯剪型失稳的临界荷重
  弯曲型悬臂杆的临界荷重可由欧拉公式求得:
  
   式中Pcr为作用在悬臂杆顶部的竖向临界荷重,EJ为悬臂杆的弯曲刚度,H为悬臂杆的高度。作为临界荷重的近似计算公式,可对弯曲型和弯剪型悬臂杆统一表示为:
  
  (二)高层建筑混凝土结构的临界荷重的确定
  根据混凝土设计规范的规定:对于正常使用极限状态结构构件,应分别按荷载效应的标准组合以及荷载效应的标准组合,并考虑长期作用的影响进行验算,以保证变形裂缝等计算值不超出规范规定的限制。
  相对研究性试验往往是根据混凝土材料和已知钢筋的实测强度、实际配筋率及结构构件的界面几何尺寸实测值等。所以,一定要按照结构构件的实际参数,正常使用极限状态标准组合内力计算值进行反求。然后再按照结构构件控制界面上的这个内力进行计算值,以及和试验加载图对结构构件的使用状态试验荷载值进行确定。相对既有结构,因为材料的截面几何尺寸、实测强度以及配筋等都是已知的,所以也就可以利用研究性试验方法对结构构件的使用状态试验检验值进行确认。
  三、高层建筑混凝土结构的稳定设计的要素
  (一)刚度比
  结构竖向不规则的控制的重要指标就是刚度比,软件以及规范提供了三种刚度比的计算方式,分别是剪弯刚度,剪切刚度和地震力与相应的层间位移比,在这当中,其中剪切刚度主要是被用在对地下室嵌固条件及底部大空间为一层的转换结构的判定。剪弯刚度主要是被用于在底部为大空间的多层的转换结构设计中,在此所提到的是楼层平均层间位移比值与平均剪力的层刚度,一般很多工程都是利用此值对结构的竖向规则性进行判定,同时,它也是软件刚度比计算的缺省方式。主要是对结构竖向规则性进行控制,为了避免竖向刚度发生突变,形成薄弱层,对于形成的薄弱层则需要进行加强。
  
  (二)轴压比
  按照抗震等级对轴压比限值进行了规定,限制框架柱的轴压比最主要的是为了能够确保框架的抗倒塌能力和柱的塑性变形能力,对柱的延性进行控制,防治柱在地震作用下的脆性被破坏,尽量使框架柱最后为大偏心受压破坏:对剪力墙肢底部塑性铰区的耗能能力和延性性能能够保证,这样也是为了防止在强烈地震作用下竖向荷载的承载能力丧失因墙体被压溃。对构造措施及其它结构特性的控制来对该值的限制间接实现,当轴压比对其不能被满足时可增大剪力墙以及框架柱的截面尺寸、设置芯柱,利用复合箍筋等办法。
  (三)剪重比
  剪重比是某层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力与该层及其上各层重力荷载代表值之和的比值。主要是控制各楼层的最小地震剪力,确保结构能够承担足够的地震作用。由于目前规范采用的振型分解反应谱法不能对此做出准确估计,为确保结构安全,特提出对结构总水平地震剪力及各楼层水平地震剪力最小值的限制。
  (四)周期比
   结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比。对结构平面布置的不规则性进行限制,防止由于其产生太大的偏心而造成结构产生扭转效应;限制结构的抗扭刚度不能太过于弱,如果扭转太小就会对结构产生不利的影响。如果周期比对要求不能满足,说明结构的扭转刚度和侧移刚度相比较小,扭转效应过大,造成在地震中结构会受到严重破坏。周期比不满足时采用的调整方法:将结构平面不规则布置进行改变,使结构的刚度中心与质量中心尽量靠近;结构的扭转刚度进行提高。SATWE程序中的振型是按照周期的长短进行排序的,结构的第一、第二振型最好是平动,扭转周期最好能出现在第三振型及更高阶振型。如果第一振型为扭转时,周期比肯定不能对规范的要求能够满足。
  四、混凝土结构稳定性预测准则
  (一)碳化寿命准则
  碳化寿命准则是在混凝土的保护层发生了碳化,对钢筋的保护作用消失了,钢筋由此产生锈蚀,而将产生锈蚀的时间就作为混凝土结构的寿命。碳化寿命理论是混凝土结构构件进行寿命分析的基础。在大气环境中,钢筋产生锈蚀的主要原因是在一氧化碳的作用下造成混凝土碳化。当前,钢筋产生锈蚀的标志是混凝土碳化深度己经达到钢筋的表面。
  (二)锈胀开裂寿命准则
  锈胀开裂寿命准则是在混凝土的表面出现筋锈胀裂缝而需要的时间,将此作为混凝土结构的寿命。也就是说,钢筋锈蚀导致混凝土纵裂,在这时,钢筋产生锈蚀的速度加快,可以将这个界限看做是危及结构安全,这也是需要对其进行加固的一个前兆。
  (三)裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命准则
  裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命准则是钢筋锈蚀量或锈胀裂缝宽度达到某一限值时其寿命停止。和锈胀开裂寿命准则进行比较,因为锈蚀开裂的标准时很难被定量,同时对大多数结构来说锈胀开裂对其适用性和安全性影响不大,因此裂缝宽度与钢筋锈蚀量限值寿命准就表现的更加的实用。
  (四)承载力寿命准则
  承载力寿命理论是钢筋锈蚀引起抗力的退化,其构件的承载力降到某一限值作为耐久性极限状态。《钢铁工业建筑可靠性鉴定规程》以一半主筋破坏作为对承载力丧失的标志,同时给出了构件剩余寿命的计算公式。
  五、高层建筑混凝土结构的稳定设计的建议
  (一)风荷戴或多遇地震作用下结构的稳定设计
  高层建筑混凝土结构在风荷载或多遇地震作用下的稳定设计拟控制结构的刚重比,以限制P-△效应,同时在结构位移计算及构件承载力设计中需考虑P-△效应的不利影响。
  (二)稳定设计中刚重比控制值与位移限值的关系
  在“高层规定”中相对不同的结构体系提出了位移限值,这样是为了对结构刚度进行控制使其不是太过于弱。然而,结构满足位移限值并不一定都能满足稳定设计对刚重比的控制值。尤其是结构的设计水平的荷载比较小的时候,尽管结构的刚度较低,但是计算位移仍然还是能对位移限值的要求能够满足;但是,在稳定设计中对水平荷载的大小与刚度的控制是无关的。
  在地震的作用下,结构的稳定设计主要是需要做好在遇到地震的作用下进行的稳定设计,使结构能够在罕遇地震作用下的P-△效應能够被控制,弥补结构耗能能力的下降,同时也能避免结构的失稳倒塌。对罕遇地震作用下结构薄弱层的弹塑性变形考虑P-△效应的计算,可利用非弹性P-△效应分析法。
  结语
  在对高层建筑混凝土结构的设计中,设计人员一定要将混凝土结构的稳定性明确认识到,要从结构中针对失稳的原因进行寻找问题,只要深入了解了问题所在,高层建筑混凝土结构的稳定设计才能从根本上做好。
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