高层结构电算中一些设计概念的应用分析

摘　要　目前,高层结构计算都采用计算机,但计算机并不能完全代替设计人员的设计概念。近几年来电算工作的经验表明,上机前后,设计人员有必要对高结构的设计概念、程序的计算原理及适用范围进行深入了解并对计算结果做认真的分析,才能确保工程设计质量。
关键词　电算　刚度　折减系数

1　高层结构电算过程
数据检查能否通过是第一个判断环节,程序选择和结果分析也是不可缺少的两个判断环节。这里所说的程序选择是指程序的计算原理及适用范围是否符合实际工程设计的情况,结果分析是指周期、变形、内力和配筋是否满足设计规范的规定,这些判断与设计概念的正确与否关系很大。
2　结构电算中的几个设计概念
2 1　程序选择从近几年电算程序的发展来看,在考虑侧向荷载(地震或风)的分配时,有四种常用方法:
(1)按各榀抗侧力结构的受荷面积进行分配;
(2)按各榀抗侧力结构的刚度单向协同工作进行分配;
(3)按所有抗侧力结构的刚度双向协同工作进行分配;
(4)按三维杆件———薄壁杆件空间分析方法。
第一种方法,对于平面和立面上质量和刚度非常均匀的低层建筑来讲,大致是适用的,否则将存在较大误差。第二种计算方法,比第一种进了一步,考虑了各片抗侧力结构的刚度,其形式不同,承担的水平力也不同。它是将高层建筑结构沿两个正交的主轴划分为若干个平面抗侧力结构,每个方向上的水平荷载由该方向上的平面抗侧力结构承受,垂直于水平荷载作用的抗侧力结构不参加工作,而且不考虑扭转,斜交构件计算也不准确,因此这种计算方法也不能真正反映高层结构的实际情况。显然,第三、四种方法对高层结构进行抗侧力计算是比较合理的。随着计算机容量的增大,运算速度的提高,目前广泛使用的是第四种计算方法,它适用于所有高层建筑,特别是平面不规则、体型复杂的建筑结构。
2 2　楼面水平刚度及整体性
无论哪种计算方法,它的基本假定都是楼板在自身平面内的刚度为无限大,而平面外的刚度不考虑。采用了此假定后,认为楼面在平面内不发生弯曲和剪切变形,只作刚体运动,即楼面只存在两个方向的平移和一个绕刚心的转动。由于采用了无限大的假定,所以楼面构造就要保证楼板刚度无限大。楼板刚度无限大的假定的定量标准尚在研究之中,一般认为楼板在自身平面内的挠度小于1/2000时,就可以做为刚性楼板来考虑。
一般情况下,现浇楼面可以满足要求,框架———剪力墙结构采用装配式楼面时,必须加现浇面层。另外,还要注意:(1)楼板应设在同一平面内,尽量不要错层;(2)楼板与梁(或墙体)的连接可靠;(3)支承楼板的墙体间距不能过大;(4)楼板不得有很大的洞口。
实际工程设计时,往往并不能完全符合上述假定。因此,需要根据具体情况加以处理。例如图3所示的框 剪结构平面,因为剪力墙的间距偏大,在侧向荷载作用下同一楼层中部的变形要比两端的变形大,所以中部几榀抗侧力框架结构需要按受荷面积进行核算,否则是不安全的。
对于错层、缺梁和大开口的楼板,由于楼面刚度的削弱和不连续性,结构在侧向力作用下并非完全作刚体运动,计算结果会出现一定的误差。对于明显不符合楼面刚度无限大假定的结构,则应选择按柔性楼面考虑的程序进行计算。
2 3　周期及折减系数
高层结构是复杂的空间结构,地震的动力反应相当复杂,影响周期大小的因素比较多,例如:(1)场地条件及基础埋深;(2)结构刚度及作用在其上的地震荷载的大小;(3)填充墙刚度;(4)构件截面和砼标号的变化;(5)地震时,构件裂缝及塑性铰的出现而带来的结构刚度的变化等。
结构自振周期的电算一般均按弹性阶段、考虑以上一些主要因素来编制程序并依此进行计算。因此高层结构电算时要注意:(1)正确选择结构体系,要考虑建筑物刚度与场地条件的联系,合理选择抗侧力构件的位置和截面,刚度越大,周期越短。当建筑物自振周期与地基土的卓越周期一致时,容易产生类共振而加重建筑物的震害。自振周期与结构本身刚度有关,在设计房屋前,要了解地基土的卓越周期,并调整结构刚度,避开共振周期。(2)一般情况下,结构自振周期多由计算机求结构刚度矩阵[Ｋ]的特征值求得,公式为:[Ｋ]{ｕ}=ω2[Ｍ]{ｕ},由于刚度矩阵[Ｋ]中,只考虑了主要结构(剪力墙、梁、柱、筒体)的结构刚度,非承重墙的刚度未考虑进去。没有砖砌填充墙时,由于它会使结构的实际刚度增大、周期减短,因此要考虑填充墙的阻尼对结构自振周期的折减。当填充墙较多且较厚时,折减系数相应取得小一些;当程序采用基底剪力法进行计算时,折减系数相应取得小一些;当程序采用振型组合法进行计算时,由于结构的顶点假想位移不是仅根据基本周期所求得的,而是考虑了结构前几个振型的顶点位移组合后求得的,一般所求得的顶点位移要小一些,所以周期的折减系数要取得大一些,振型取得愈多、折减系数应取得愈大一些;另外,砖砌填充墙对不同结构型式的周期影响有所不同,周期的折减系数按框架结构、框 剪结构、剪力墙结构顺序,前者取小,后者取大。(3)对打印结果进行分析时,首先要分析结构的自振周期值的大小是否合适、前几个振型周期的相互关系是否恰当。一般可根据经验公式或设计人的经验进行判断,如果经判断周期出入过大,则计算结果是不可取的,此时应做更深入的分析或进行必要的调整。
2 4　轴向变形及剪切变形的影响
高层结构竖向构件的变位是由弯曲变形、轴向变形及剪切变形三项因素的影响迭加求得的,其计算公式如下:　　　　　　δｉｊ=∫ＭｉＭｊＥＪｄｓ+∫ＮｉＮｊＥＡｄｓ+∫μθｉθｊＧＡｄｓ墙肢和柱的轴向变形对内力和位移的影响,视荷载作用方向和结构型式的不同而有较大的区别。
(1)结构在垂直荷载作用下,一般中柱的轴压比大于边柱的轴压比,因此中列柱的轴向变形要大于边列柱的轴向变形。其变形有以下三种影响:①不考虑轴向变形的影响,其结果如图4ａ所示。结构顶部几层中列柱两侧梁端负弯矩过大,与实际受力情况有一定的误差。②按一次加载考虑轴向变形的影响。结构往往在顶部几层中列柱两侧梁端出现反号的正弯矩,这显然是不合理的,按此内力进行配筋也是不安全的。③按逐层加载考虑轴向变形的影响,。计算结果与实际施工及受力状况是相符合的,但是由于要逐层逐次形成不同的总刚矩阵,电算时间较长。
由以上分析可知,结构电算应用时应了解程序是如何考虑垂直荷载作用下轴向变形影响的,如未考虑或按一次加载考虑,对计算结果都需要做适当的调整。
(2)结构在水平荷载作用下,由于荷载是一次施加到结构上的,墙肢和柱的轴向变形将对结构的内力及位移产生较大的影响,层数愈多、高宽比愈大,其影响愈显著,这种影响在不同类型的结构中程度有所不同。对于较高的框 剪结构,轴向变形的影响将达到不可忽略的程度,一般应予考虑;对于高层的剪力墙结构,这种轴向变形的影响必须加以考虑。其中,它对双肢墙的影响要比多肢墙的影响要大,对单片墙的影响最大。
一般框架结构的梁柱截面较小,可以不考虑剪切变形的影响。但是,由于框 剪结构体系中的剪力墙和剪力墙结构体系中的连梁、墙肢都很宽,并非完全如假定的竖向悬臂构件那样受力,存在明显的剪切变形影响,故一般高层结构程序都对此做了考虑。这是因为:对框 剪结构,若不考虑剪力墙的剪切变形影响,就会对其刚度估计偏大5%～10%,相应分配给墙的水平力偏大,分配给柱的水平力也就偏小,虽然框架部分柱的剪力要做调整,但因绝对值偏小,往往还不够安全;对剪力墙结构体系,剪切变形对双肢墙的影响会达到10%,对多肢墙的影响甚至可达到20%左右。
3　结束语
不同类型的高层结构在电算时将涉及到范围极为广泛的各种设计概念,如框架结构电算中梁支座负弯矩调幅、柱的计算长度、框 剪结构电算中框架柱楼层剪力的调整,剪力墙结构电算中连梁刚度的折减,以及框 支结构电算中的简化等等问题,这些问题的解决都必须建立在正确的设计概念基础上,盲目套用程序或不做详细分析直接按打印结果进行设计,其后果是不堪设想的,应当引起设计人员的高度重视。