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高层住宅建筑结构设计的几个问题

2020-07-07 08:57:27

       「前面的话」近几年来,随着我司业务量的增加,为满足不同客户的需求和市场的需要,我司的高层建筑设计方案陆续呈现出建筑形体、功能多样化的特点,主要表现在以下几个方面:

       1、建筑的高宽比很大(达到12)
       2、底层层高很高(达到9米),二层及以上各层层高均较小。(3.0米左右)
       3、楼板不连续。(隔层挑空或隔两层挑空)
       4、纵横两个方向刚度差异较大
       5、单栋建筑的长度超长(达94米)
       6、呈T字型或Y字型不规则平面且连接处(腰部)楼板有效宽度很小。
       7、楼层局部托柱转换
       8、顶层楼中楼剪力墙部分取消
       9、跃层楼板开洞率较大
       10、局部地下室出露地面
       11、地下室顶板开大洞
       12、地下室顶板存在较大高差
       13、局部楼层挑空无楼板,剪力墙的计算高度即稳定性问题。
       14、地下室周边道路高差较大,地下室抗浮计算时抗浮水位的取值。
       15、局部外阳台、露台隔三层布置,柱高度大,达9.0米
       16、剪力墙平面外搭梁
       所以有必要针对这些问题提出一些我司内部的处理措施和概念性的意见,供设计人员参考。〉〉整体装配式建筑房屋结构计价研究 



高层住宅建筑结构设计优化-高层住宅建筑结构设计的几个问题
       

      「总则」提出以下原则:
       1、倡导建筑形体多样化和结构受力合理性统一的原则。
       2、倡导结构抗震的概念设计和计算分析并重的原则。
       3、倡导对特殊构件、重要构件采取针对性加强措施的原则。
       4、倡导对电算模型与实际受力模型不符的构件,采取手工计算复核的原则。
       5、在结构安全与建筑美观、建筑功能出现矛盾时,倡导以结构为主、以结构安全为重的原则。〉〉BIM对造价咨询业的影响

       「措施」在总则概念设计的前提下,针对建筑平面、立面等由于建筑形体的多样化带来的结构受力不直接、不明确、不合理等问题,提出以下具体的指导措施:
       1、建筑的高宽比很大(达到12): 混凝土高规对高层建筑的高宽比提出一个“不宜”超过的限值,应当注意到,该限值是一个综合限值,是基于结构刚度、整体稳定、承载能力和经济性要求的一个宏观要求。也就是说,在某些条件下可以突破。一般来说,在“刚重比”满足要求的条件下,如果其它“层间位移”、“剪重比”等整体指标满足高规要求的条件下,“高宽比”不再作为必须满足的指标。但是应当注意到,由于高宽比较大,必然可能造成结构在其横向增加较多的抗侧力构件(剪力墙或支撑),必然可能造成结构在两个方向的抗侧力刚度不协调,必然可能造成结构造价增加,必然要求较大的基础刚度和整体性,需要引起结构设计人员的足够注意。对于高烈度区(八度)和风荷载较大(大于0.7)的较高的高层建筑,更应有可靠的应对措施,避免二阶效应的不利影响,保证结构的整体稳定。
       2、底层层高很高(达到9米),二层及以上各层层高均较小(3.0米左右):该种情况多出现在结构底层层高较大而二层及以上层高较小的住宅楼或商住楼,其直接的后果就是在底层出现“软弱层”,对结构抗震不利,应予避免。一般采取的措施就是加大底层结构的刚度,使得刚度比满足规范“底层刚度不小于上部一层刚度70%”的要求。应当注意到,该刚度比的控制是基于抗震概念设计中“保证结构竖向刚度变化和顺”对刚度的基本要求,应予尽可能的遵守,一般情况下可以办到。当底层计算高度是上部一层计算高度的2倍以上时,通过增加底层抗侧力构件的刚度来调整层间刚度比变得非常困难,建议建筑方案调整。特别是有些项目如“当代天境”底层计算高度为 9米,二层计算层高只有3米,调整难度很大。这种情况下,如果非做不可,可以考虑一个综合的措施:①加大底层抗侧力构件的尺寸(长度和厚度)②加大二层楼板的刚度,包括加大较软弱方向框架梁的刚度,加厚楼板厚度,适当设置一定体量、一定刚度的裙房。③在适当位置另外加设抗侧力构件。④适当加大二层的层高。
       对于剪力墙结构的住宅来说,由于填充墙多,结构自重较大,地震响应必然很大,底部软弱层的震害后果严重。对于60米以上的高层建筑,底层刚度比的控制必须引起足够的重视,应考虑采取措施避免出现“软弱层”。若出现底层计算高度大于二层高度较多时(2倍以上),应建议建筑方案予以调整。
       3、底层局部设置夹层。如当代天境,七星公馆等项目,在结构底层设置夹层,6.0+3.1,仅夹层位置设梁,夹层梁不整层拉通。由此造成的问题就是底层竖向构件的计算高度差别很大、夹层标高处仅局部有楼板,不连续、夹层位置集中偏置在一侧。在风和地震荷载作用下,显然底层是薄弱部位,这种情况从概念设计的角度应予避免,建议建筑调整方案。如果非这样做不可,应采取以下加强措施和补充计算:①把夹层去掉进行结构补充计算,控制底层刚度比,底层构件按两个模型包络设计。②二层楼板厚度可考虑不小于150mm,双层双向配筋,配筋率不小于0.30%。③底层抗侧力构件及柱和剪力墙的配筋应适当加大,应特别注意剪力墙作为主要的抗侧力构件,墙身和约束边缘构件的配筋应加强,如有必要,可考虑对剪力墙进行中震弹性的计算分析并按照中震弹性的分析结果设计,也可考虑提高构件的抗震等级④应注意夹层偏置可能造成的扭转效应,应有专门的应对措施,加大另一侧构件的抗侧刚度和强度。⑤适当极大未设置夹层的范围内竖向构件的断面尺寸,确保其稳定性满足要求。
       4、纵横两个方向刚度差异较大:对于“一字型”的建筑平面,往往由于长宽比较大,造成两个主轴方向的侧向刚度差异较大。另外,对风荷载较大的高层建筑,由于横向的风荷载较大,为满足位移角的要求,沿该方向增加了较多剪力强,两个主轴方向的刚度大小差别较大。这种情况下,结构在两个主轴方向的动力特性相差较大,动荷载作用下,两个主轴方向的基本振型的周期相差较大,扭转振型发展为主要振型,动力响应复杂。为此,结构计算时,应控制两个主轴方向基本振型的周期比不小于0.8为宜。(另外,应避免第二振型就出现扭转振型。)
       5、单栋建筑的长度超长:比较典型的就是七星公馆2#楼,剪力墙结构,楼面长度达94米,是规范伸缩缝间距要求的2倍多。目前工程上超长结构成功实施的实例已很多,可考虑的措施有:①屋面保温隔热层适当加厚,保温隔热材料要求性能好、质量稳定,便于施工。②屋面板适当加厚,设置温度钢筋;屋面周面梁内适当设置加强钢筋以抵抗温度应力在梁内产生的拉力。③每层楼面沿长度方向通长设置温度钢筋,在边跨1~2跨范围内,沿短向也宜设置温度钢筋。④每层楼面边梁应考虑设置加强钢筋,一般设置腰筋作为温度筋。⑤两端山墙特别是顶部两层墙体分布钢筋适当提高配筋率。⑥混凝土采用补偿收缩混凝土,各20米设置膨胀加强带,解决施工期间的收缩应力⑦每层楼板特别是屋面板应加强养护,必要时要求对混凝土的养护采取专门的措施。
       6、呈T字型或Y字型不规则平面且连接处(腰部)楼板有效宽度很小:我司设计的T字型或Y字型住宅平面,突出的问题就是连接处(腰部)楼板有效宽度很小,有的100米高层住宅也只有6米(观音山住宅),非常不规则。由于连接部位楼板宽度削弱较多,水平传力不直接且应力严重集中,动力荷载作用下抗侧力构件受力不均,协同变形的能力不足,造成T字型或Y字型的外端扭转变形较大出现开裂,连接板楼板拉裂、梁柱节点破坏等。对应的措施就是:①加大连接部位处楼板的厚度和配筋,厚度不小于120mm,必要时可加厚至150mm以上;单面配筋率不小于0.3﹪,必要时可考虑设置一些暗梁。②加大连接处梁、柱等构件的配筋(配箍)率,全长、全高加密箍筋。③适当对外端框架、剪力墙等构件采取加强措施。〉〉钢筋混凝土多层框架基础拉梁几个问题
       7、楼层局部梁上起柱:这里指我司设计的多层别墅以及顶层楼中楼经常会出现局部需要采用梁上起柱的托柱转换问题。应当注意到,托柱转换实际上属于竖向构件的不连续问题,因此数量和范围不能大,而且应分散、均匀、对称。梁上起柱处的楼板应适当加厚,起柱处根部两个方向均考虑布梁以保证一定刚度的底部约束;托柱层数不多于二层为宜。注意不得由于梁上起柱产生软弱层。
       8、顶层楼中楼剪力墙部分取消:我司设计的高层楼中楼,由于跃层使用功能的调整,需要取消部分剪力墙。应注意取消部分剪力墙后,避免结构刚度沿竖向削弱过多形成软弱层;避免结构产生大的扭转;(宜适当加大相邻上下楼板的刚度。)宜加强取消剪力墙位置处相邻柱墙的配筋。
       9、跃层楼板开洞率较大:我司设计的复式住宅楼中,跃层楼板在客厅顶部开大洞挑空,加上楼梯的开洞面积,跃层楼板的开洞面积一般都会超过30%,有的会超过50%。对于只在高层建筑的顶部楼层设置楼中楼的情况,我们一般按照普通的楼板不连续问题采取构造加强措施即可,比如洞口周边楼板加厚不少于20mm,一般情况下板厚不小于120mm(连接板带宽度小于5米的,可考虑加厚至150mm),通长配筋并适当加大楼板配筋率;加大洞口周边梁的断面和配筋;加大洞口周边柱墙的配筋率。应当注意到,我司七星公馆项目,每隔三层有一个楼层挑空,虽然开洞率不是很大(约32%),但集中在楼面宽度一侧,有效连接楼板宽度很小,只有4.1米,相当于每隔三层会出现一个楼板刚度的突变,动力荷载作用下在该楼层会出现水平荷载不能可靠的通过楼板均匀分散的传递给抗侧力构件、抗侧力构件受力不均衡,连接板带处楼板出现较大拉应力,必须采取可靠措施。
       10、地下室局部出露地面:我司设计的安溪北石商住小区、永联达办公楼和半山御景就存在这样的情况,两边或三边不同程度出露地面外,应注意以下几个问题:①适用高度应计算至出露地面处标高,不能简单计算到地下室顶板处地面标高。②嵌固端取基础顶面,不宜计算至地下室顶板;但约束边缘构件仍然从顶板起算,并向下延伸至基础。③地下室顶板仍然按照不小于180mm考虑。④适当加大地下室的刚度,特别是地下室周边1~2跨的刚度,以利于抗倾覆。⑤基础埋置深度视具体情况而定,必须注意到,由于地下室局部出露地面,应有可靠措施保证高层建筑基础的稳定性。⑥对于主楼靠近地下室外侧边,而该外侧边出露地下室地面,除采取以上各条措施外,须注意加大出露边构件的抗扭刚度和强度,减小不完全约束产生的扭转效应。〉〉建筑结构设计BIM技术的应用
       11、地下室顶板开大洞:地下室出于采光和通风等要求,往往会在地下室顶板开结构洞,比如四季康城、御景湾等工程。一般情况下,开洞位置应尽可能离主体结构范围远一些,特别是当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,在主楼周边一跨(10米)范围内避免开结构洞。应当注意到,地下室顶板开大洞,削弱了顶板的水平刚度,影响水平力的传递,应适当控制开洞面积,洞口尽可能均匀分散布置,并应考虑适当的加强措施。
       12、地下室顶板存在较大高差:一般有两种情况:一、建筑设计通过在主楼与纯地下室交接处的顶板设置600~1200的高差,解决室内地面覆土厚度问题。二、地下室长度较长(达200米),地面高差较大,需要通过顶板设置高差与地面高差协调。①对于第一类问题,需要考虑地下室顶板处水平力可靠传递的问题。高差不大于600mm时,可以认为该高差对水平力传递不会产生大的影响,适当对高差处的梁采取加强措施即可。当高差大于600mm时,可考虑在高差处楼板加掖处理,也可以将框架梁端部加掖。②对于第二种情况,可按照常规处理。应注意到一种特例,高差设置在主楼顶板范围内,且高差较大,则需要考虑底层抗侧力构件由于约束高度不同产生的的刚度不均匀问题,注意扭转效应的不利影响。对局部构件有必要采取加强措施。
       13、局部楼层挑空无楼板,剪力墙的计算高度即稳定性问题:我司设计的七星公馆以及其它跃层住宅就存在这种问题,相当的普遍。由于中间层无楼板,剪力墙的高度为两层高,必然带来约束条件的改变,剪力墙的厚度按照构造要求取值时应考虑这个因素,否则可能造成剪力墙稳定性不满足高规要求。
       14、地下室周边道路高差较大,地下室抗浮计算时抗浮水位的取值:我司设计的永联达办公楼和七星公馆就存在这种情况。一般来说,抗浮设计水位系有地质勘探部门提供。地下水水位受降雨影响很大,从设计角度来看,地下室的抗浮与其周边环境即排、泄水的条件有很大关系。如果地下室周边的排泄水条件,可以保证雨、洪水不会在地下室周边聚积、地下室室外的水快速有效的排到相邻不远的道路,抗浮设计水位可以按照周边道路的标高设计(至于按照道路标高的哪一点取值计算,应视具体情况而定);否则,抗浮设计水位应取地下室外围室外地面标高下0.5m。当地下室外侧边离可供排、泄水的道路较远,或者距离虽近,但该道路根本不具有排水功能或排水不畅时,抗浮设计水位也应取地下室外围室外地面标高下0.5m。
       15、局部外阳台、露台隔三层布置,外端框架柱高度较高,达9.5米:典型工程实例为当代天境、中峻天峰和七星公馆,纯剪力墙结构,外围阳台和露台端部为框架柱,隔层才有楼板,柱子高度较高。应该注意到,由于是超高层住宅,该柱承担的荷载不小,如中峻天峰约为8000kN(断面为800x800,为型钢混凝土柱),柱高9.45米。所以应当注意到,底部加强区或者更高的部位,水平动力荷载作用下该细长柱的承载力问题,特别注意柱周边约束单薄的情况,如横向与剪力墙连接而纵向为单跨框架连接。应采取措施加强柱的延性,提高水平抗剪能力。可考虑提高纵向钢筋的配筋率,在柱中设置型钢或芯柱,全高加密箍筋。
       16、剪力墙平面外搭梁:一般情况下,梁垂直于剪力墙搭置时,其端部可按照铰接处理,支座钢筋可按照构造要求配置,端部钢筋水平端长度不满足规范要求时,可考虑在支座处剪力墙内设置机械约束的措施,如加焊短钢筋、小角钢、钢板等方法,加大连接强度,防止拉托效应。对于一些有特殊要求的梁,如托柱的梁、荷载较大、跨度大于六米的梁、对梁端节点的扭转刚度要求较高的梁,则可以通过在梁端部与剪力墙交接处设置壁柱,当剪力墙厚度不小于300时,可在主梁作用处墙内设暗柱,抵抗平面外弯矩。


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