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[2]而这些原则,规定与方法往往是基础性、整体性、全局性和关键性的。
有些概念设计的要求,为整个设计设置二道防线,保证了建筑物的安全可靠。
从某种意义上讲,概念设计甚至比分析计算更为重要。
2结构概念设计
结构概念设计是运用人的思维和判断能力,从宏观上决定结构设计中的基本问题。
结构具体来说就是有效地选择结构体系,与高层建筑物的使用要求相互协调。
首先应对使用空间的性质加以分析:
如空间的大小、形状、各部分组成关系,及一些由于使用需要而提出的特殊要求等,然后再从平面形式、剖面形式等方面综合进行协调,使各空间的要求与其所对应的平、剖面形式相吻合。
地震动及其影响是不确定的,结构计算模型的假定与地震时的实际工作有很大的差异,但是地震动及其影响又具有一定的规律性。
对于高层建筑而言,一个合理的抗震设计,需要建筑师和结构工程师的密切配合,不能仅仅依赖于“计算设计”,而往往在很大程度上取决于良好的概念设计。
高层建筑抗震概念设计的基本内容有3个部分:
一是建筑设计应重视结构的规则性;
二是建筑设计应选择合理的结构体系;
三是结构设计应考虑构件和整体结构的延性。
对于第三项内容主要由结构工程师来把握,对于第一、第二项要求,则必须由有经验的、有抗震知识素养的建筑师和结构工程师在方案设计阶段中共同考虑,并讨论几种可供选择的结构形式,以便在结构专业开始设计之前,就能把不合要求的几何图形排除在体系之外。
3高层建筑结构设计的特点
1.高层建筑结构设计的特点
(1)高层建筑结构设计与低层多层建筑结构设计相比较,结构专业的各专业中占有更重要的地位。
不同结构体系的选择,直接关系到建筑平面布置,立面体型,楼层高度,机电管道的设置,施工技术要求,施工工期的长短和投资造价的高低。
(2)高层结构设计中水平力是设计的主要因素。
在低多层房屋结构中,水平力产生的影响较小,以抵抗竖向荷载为主,侧向位移小,通常可以忽略不计。
在高层结构设计中,随着结构高度的增加,水平力(风荷载或地震作用)产生的内力和位移迅速增大。
(3)高层建筑结构设计中,不仅要求结构具有足够的承载力,而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力的刚度,将结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规范规定的范围内。
因此,高层建筑所需的侧向刚度由位移控制。
(4)高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。
从地基承载力或桩基承载力考虑,如果在同样基础条件下,减轻房屋自重意味着不增加基础造价和处理措施,可以多建层数,这在软弱土层有突出的经济效益。
另外地震效应是与建筑的质量成正比的,减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效方法。
因此在高层建筑中,结构材料宜采用高强度材料。
(5)在高层建筑的抗风设计中,应保证结构有足够承载力,必须具有足够的刚度;
控制好在风荷载作用下的位移值,保证有良好的居住和工作条件;
维护结构和装饰构件必须有足够的承载力,并与主体结构可靠连接。
(6)有抗震设防的高层建筑应进行详细勘察,摸清地质情况,选择位于开阔平坦地带,具有较好场地土的对抗震有利的地段。
(7)地基基础的承载力和刚度要与上部结构的承载力和刚度相适应。
当上部结构与基础连接部位考虑受弯承载力增大时,相临基础及上部结构嵌固部位的地下室结构,应考虑弯矩增大的作用。
(8)剪跨比和剪压比是判别梁、柱和墙肢等抗侧力构件抗震性能的重要指标。
剪跨比用于区分变形特征和变形能力,剪压比用于限制内力,保证延性。
4概念设计的原则
1全面考虑原则[8]
在做结构概念设计时,首先要对其所涉及的各个方面作全面的考虑。
它包括建筑、结构和施工等方面的综合考虑,以及整体、局部和它们间关系方面的考虑。
这3个方面的考虑构成了结构概念设计时的三维构思。
2功能协调原则
结构概念设计时,应尽可能做到建筑、结构、设备和施工手段的功能协调,以便取得尽可能大的效能和尽可能多的效益。
3实际出发原则
概念设计时必须从实际出发处理所遇到的各种问题。
例如认真考虑当地固有的自然条件(如气候、建筑地段、地质条件等)、当地历史形成的人文条件(如文化背景、已建建筑物等)、当地当时的资源条件(如资金、原材料、设施等)。
因而:
(1)概念设计前要对当地的实际情况进行全面了解和分析;
(2)概念设计时所取的各种条件要符合当地当时实际可能;
(3)所做的概念设计方案必须充分满足未来使用时的实际需要。
4精益求精原则。
概念设计包括结构概念设计往往是多种方案比较优选的过程。
5优化选型原则:
优化结构体系。
前提是掌握各类基本构件的特征(如与受力相关的几何特征,与变形相关的刚性特征等),根据环境、使用、建筑和荷载实况优化选择合适的主要结构体系;
优化结构布置。
在满足使用要求和建筑意向前提下优化布置主要受力构件,重要的原则是平立面宜规则、对称,具有良好的整体性,竖向剖面除规整外侧向刚度宜均匀变化,自下而上逐渐减小,避免突变。
高层建筑结构抗震设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用,避免结构出现敏感的薄弱部位,地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位,导致结构过早破坏。
现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用,在此前提下,才能以多遇地震作用进行结构计算、构件设计并加以构造措施,或动力时程分析进行验算,以试图达到罕遇地震作用下结构不倒的目标。
抗震概念设计应遵循以下原则:
(1)结构的简单性。
(2)规则和均匀性。
(3)结构的刚度和抗震能力。
(4)结构的整体性。
4.1结构刚柔的选择
结构设计时应将结构设计成刚一些,还是柔一些,在建立抗震设计概念的初期,是个争论的问题,因为刚度大的结构地震作用大,显然要求较大的构件尺寸和钢材用量,似乎是不经济的;
而较柔的结构地震作用小,但是变形较大,可节省材料,而一般认为框架的变形性能好,剪力墙变形性能差,主张选用较柔的框架结构,因而早期的设计对高层建筑应用剪力墙结构的限制较多。
实际上,历次大地震都说明框架结构的震害比较大,设置剪力墙的结构震害较小,主要是因为剪力墙刚度大。
事实说明结构的变形较小,震害就比较少。
当然,不能得出刚度愈大愈好的结论,因为确实刚度愈大,地震作用愈大,材料用量会增加。
按照延性框架要求设计的钢筋混凝土框架结构在地震作用下也有表现很好的实例。
此外,结构振动和变形的大小不仅与结构刚度有关,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”这样的简单结论,应该结合结构的具体高度、体系和场地条件进行综合判断,无论如何,重要的是设计时要进行变形限制,将变形限制在规范许可的范围内,要使结构有足够的刚度,设置部分剪力墙的结构有利于减小结构变形和提高结构承载力;
同时,应根据场地条件来设计结构,硬土地基上的结构可柔一些,软土地基上的结构可刚一些。
可通过改变高层建筑结构的刚度调整结构的自振周期,使其偏离场地的卓越周期。
4.2结构平面布置宜刚度均匀
历次地震震害经验表明:
简单和规则的结构遭遇地震后的破坏较轻。
通常认为简单的结构其受力性能比较明确,设计时容易分析结构在地震作用下的反应和内力分布规律,且结构细部的构造也好处理。
形状的简单和复杂又是怎样区别呢?
通常认为简单的平、立面图形是方形或圆形的,而复杂的图形是有凹角的,容易造成有应力集中或变形集中的薄弱环节。
抗震设计能做到平、立面简单当然是较理想的,但实际工作中,建筑的平、立面出现凹角是经常的,比较现实的做法是要求建筑体型规则一些,规则的意思是有一定的对抗震有利的要求,也允许带有一定限度区的复杂性质。
区分规则与不规则的界限很难划定。
我国新的高层建筑结构设计规程给出了一些划分原则。
抗震结构平面布置宜简单、规则,尽量减少突出、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,减少结构扭转引起的破坏一般从两个方面人手,一是减少地震引起的扭转,二是增加结构抵抗扭转的能力。
平面刚度是否均匀是地震是否造成扭转破坏的重要原因,而影响刚度是否均匀的主要因素是剪力墙的布置,剪力墙集中布置在结构平面的一端是不好的,大刚度抗侧力单元偏置的结构在地震作用下扭转大,对称布置剪力墙、边布置刚度很大的框筒抵抗扭转。
井筒有利于减少扭转。
周边布置剪力墙都是增加结构抗扭刚度的重要措施,有利于抵抗扭转。
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,质量集中在周边也会加大扭转。
对于有些平面上有突出部分的建筑,例如L形、的平面,即使总体平面对称,还会表现出局部扭转。
如图1所示:
[3]
图1L形平面结构的局部扭转
a)高振型b)扭转变形c)端部加强措施
4.3结构沿竖向刚度宜均匀
均匀性问题存在于建筑的竖向布置中,无论是几何图形还是楼层刚度变化其规则匀称应该是立面设计中优先考虑的。
布置不均匀的结果产生了刚度、强度的突变,引起竖向的应力集中或变形集中,以致在中小型地震中损坏,在大震时倒塌。
但是,要使结构做到完全均匀性,在实际设计中也有一定的困难。
均匀性问题表现如下:
其一,竖向收进问题。
竖向收进是常见的建筑处理方式,结构上产生的问题是在凹角处应力集中。
由于房屋的不同部分其振动特征不同,所以在收进处的横隔(楼盖或屋面板)产生应力突变,为此,在抗震设计时,可考虑几种处理方法:
限制收进尺寸;
当设置防震缝有利时,可设缝把复杂的体型划分成若干简单、规则的独立单元,分割后的建筑体型应是均衡的,不致过分细高;
不设缝时应进行较细致的空间动力分析;
对刚度突变的构件采取加强措施。
其二,柔性层框架。
建筑上往往因底层需要开敞或任意层需要大的空间,使结构处于上下不连续状况,产生竖向刚度突变,特别是柔性底层建筑,在历次大地震中,震害都很普遍,甚至完全倒塌。
分析研究表明,这类构件的应力和变形集中是非常严重的,所以在抗震设计时应力求避免,底层应尽可能配置具有相当强韧性的构件以承受大的侧移。
其三,同一层间的柱子刚度不同。
建筑上由于空间需要或由于艺术构思,使得同一层间柱子的刚度差异较大,通常在刚性较大的柱子上产生较大的内力。
为此设计时宜从抗震的角度重新安排结构系统,以使刚度尽量均衡。
其四,抗震墙的不连续。
由于建筑上的需要,可能出现上下不连续的抗震墙,这就产生了不均匀性,为此在设计时,应考虑限制上下层的刚度以及连续抗震墙的间距。
其五,填充墙设置的影响。
框架内的填充墙若设置不当,地震时往往会改变结构的受力状态而产生不利影响。
例如,由于填充墙设置不当,可使框架柱形成短柱而造成破坏。
为此在设计时,应把墙同柱分开或采用轻质墙以使框架柱连续。
图2沿高度刚度不均匀
a)框支剪力墙的变形b)中间楼层软弱或大刚度c)鞭梢效应
5高层建筑抗震性能概念设计
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