為什么要掌握鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面受彎的全過程中的各階段的應力狀態(tài)

【專家解說】：目前國內(nèi)高層建筑的四大結(jié)構(gòu)體系:框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)。 我國改革開放以來，建筑業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展，近十幾年我國已建成高層建筑萬棟，建筑面積達到2億平方米，其中具有代表性的建筑如深圳地王大廈81層，高325米;廣州中天廣場80層，高322米;上海金茂大廈88層，高420.5米。另外在南寧市也建起第一高樓:地王國際商會中心即地王大廈共54層，高206.3米。隨著城市化進程加速發(fā)展，全國各地的高層建筑不斷涌現(xiàn)，作為土建工作設計人員，必須充分了解高層建筑結(jié)構(gòu)設計特點及其結(jié)構(gòu)體系，只有這樣才能使設計達到技術先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量的基本原則。 一、高層建筑結(jié)構(gòu)設計的特點 高層建筑結(jié)構(gòu)設計與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu)專業(yè)在各專業(yè)中占有更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機電管道的設置、施工技術的要求、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有: (一)水平力是設計主要因素 在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設計產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比;而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動力性的不同而有較大的變化。 (二)側(cè)移成為控指標 與低層或多層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層結(jié)構(gòu)設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大，與建筑高度H的4次方成正比(△=qH4/8EI)。 另外，高層建筑隨著高度的增加、輕質(zhì)高強材料的應用、新的建筑形式和結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)、側(cè)向位移的迅速增大，在設計中不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，還要求具有足夠的抗推剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某一限度之內(nèi)，否則會產(chǎn)生以下情況: 1.因側(cè)移產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，尤其是豎向構(gòu)件，當側(cè)向位移增大時，偏心加劇，當產(chǎn)生的附加內(nèi)力值超過一定數(shù)值時，將會導致房屋側(cè)塌。 2.使居住人員感到不適或驚慌。 3.使填充墻或建筑裝飾開裂或損壞，使機電設備管道損壞，使電梯軌道變型造成不能正常運行。 4.使主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)大裂縫，甚至損壞。 (三)抗震設計要求更高 有抗震設防的高層建筑結(jié)構(gòu)設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。 (四)減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要 高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意昧著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層數(shù)，這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟效益。 地震效應與建筑的重量成正比，減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了，不僅作用于結(jié)構(gòu)上的地震剪力大，還由于重心高地震作用傾覆力矩大，對豎向構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加軸力，從而造成附加彎矩更大。 (五)軸向變形不容忽視 采用框架體系和框架--剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸壓應力往往大于邊柱的軸壓應力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，此種軸向變形的差異將會達到較大的數(shù)值，其后果相當于連續(xù)梁中間支座沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。 (六)概念設計與理論計算同樣重要 抗震設計可以分為計算設計和概念設計兩部分。高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計計算是在一定的假想條件下進行的，盡管分析手段不斷提高，分析的原則不斷完善，但由于地震作用的復雜性和不確定性，地基土影響的復雜性和結(jié)構(gòu)體系本身的復雜性，可能導致理論分析計算和實際情況相差數(shù)倍之多，尤其是當結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段之后，會出現(xiàn)構(gòu)件局部開裂甚至破壞，這時結(jié)構(gòu)已很難用常規(guī)的計算原理去進行分析。實踐表明，在設計中把握好高層建筑的概念設計也是很重要的。 二、高層建筑的結(jié)構(gòu)體系 (一)高層建筑結(jié)構(gòu)設計原則 1.鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設計應與建筑、設備和施工密切配合，做到安全適用、技術先進、經(jīng)濟合理，并積極采用新技術、新工藝和新材料。 2.高層建筑結(jié)構(gòu)設計應重視結(jié)構(gòu)選型和構(gòu)造，擇優(yōu)選擇抗震及抗風性能好而經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系與平、立面布置方案，并注意加強構(gòu)造連接。在抗震設計中，應保證結(jié)構(gòu)整體抗震性能，使整個結(jié)構(gòu)有足夠的承載力、剛度和延性。 (二)高層建筑結(jié)構(gòu)體系及適用范圍 目前國內(nèi)的高層建筑基本上采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)體系有:框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等。 1.框架結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)體系是由樓板、梁、柱及基礎四種承重構(gòu)件組成。由梁、柱、基礎構(gòu)成平面框架，它是主要承重結(jié)構(gòu)，各平面框架再由連系梁連系起來，即形成一個空間結(jié)構(gòu)體系，它是高層建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式之一。 框架結(jié)構(gòu)體系優(yōu)點是:建筑平面布置靈活，能獲得大空間，建筑立面也容易處理，結(jié)構(gòu)自重輕，計算理論也比較成熟，在一定高度范圍內(nèi)造價較低。 框架結(jié)構(gòu)的缺點是:框架結(jié)構(gòu)本身柔性較大，抗側(cè)力能力較差，在風荷載作用下會產(chǎn)生較大的水平位移，在地震荷載作用下，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞比較嚴重。 框架結(jié)構(gòu)的適用范圍:框架結(jié)構(gòu)的合理層數(shù)一般是6到15層，最經(jīng)濟的層數(shù)是10層左右。由于框架結(jié)構(gòu)能提供較大的建筑空間，平面布置靈活，可適合多種工藝與使用的要求，已廣泛應用于辦公、住宅、商店、醫(yī)院、旅館、學校及多層工業(yè)廠房和倉庫中。 2.剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在高層建筑中為了提高房屋結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度，在其中設置的鋼筋混凝土墻體稱為“剪力墻”，剪力墻的主要作用在于提高整個房屋的抗剪強度和剛度，墻體同時也作為維護及房間分格構(gòu)件。 剪力墻結(jié)構(gòu)中，由鋼筋混凝土墻體承受全部水平和豎向荷載，剪力墻沿橫向縱向正交布置或沿多軸線斜交布置，它剛度大，空間整體性好，用鋼量省。歷史地震中，剪力墻結(jié)構(gòu)表現(xiàn)了良好的抗震性能，震害較少發(fā)生，而且程度也較輕微，在住宅和旅館客房中采用剪力墻結(jié)構(gòu)可以較好地適應墻體較多、房間面積不太大的特點，而且可以使房間不露梁柱，整齊美觀。 剪力墻結(jié)構(gòu)墻體較多，不容易布置面積較大的房間，為了滿足旅館布置門廳、餐廳、會議室等大面積公共用房的要求，以及在住宅樓底層布置商店和公共設施的要求，可以將部分底層或部分層取消剪力墻代之以框架，形成框支剪力墻結(jié)構(gòu)。 在框支剪力墻中，底層柱的剛度小，形成上下剛度突變，在地震作用下底層柱會產(chǎn)生很大內(nèi)力及塑性變形，因此，在地震區(qū)不允許采用這種框支剪力墻結(jié)構(gòu)。 3.框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，可以組成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既有框架結(jié)構(gòu)布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度和較強的抗震能力，因而廣泛地應用于高層建筑中的辦公樓和旅館。 4.筒體結(jié)構(gòu)體系。隨著建筑層數(shù)、高度的增長和抗震設防要求的提高，以平面工作狀態(tài)的框架、剪力墻來組成高層建筑結(jié)構(gòu)體系，往往不能滿足要求。這時可以由剪力墻構(gòu)成空間薄壁筒體，成為豎向懸臂箱形梁，加密柱子，以增強梁的剛度，也可以形成空間整體受力的框筒，由一個或多個筒體為主抵抗水平力的結(jié)構(gòu)稱為筒體結(jié)構(gòu)。通常筒體結(jié)構(gòu)有: (1)框架-筒體結(jié)構(gòu)。中央布置剪力墻薄壁筒，由它受大部分水平力，周邊布置大柱距的普通框架，這種結(jié)構(gòu)受力特點類似框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，目前南寧市的地王大廈也用這種結(jié)構(gòu)。 (2)筒中筒結(jié)構(gòu)。筒中筒結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外兩個筒體組合而成，內(nèi)筒為剪力墻薄壁筒，外筒為密柱(通常柱距不大于3米)組成的框筒。由于外柱很密，梁剛度很大，門密洞口面積小(一般不大于墻體面積50%)，因而框筒工作不同于普通平面框架，而有很好的空間整體作用，類似一個多孔的豎向箱形梁，有很好的抗風和抗震性能。目前國內(nèi)最高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)如上海金茂大廈(88層、420.5米)、廣州中天廣場大廈(80層、320米)都是采用筒中筒結(jié)構(gòu)。 (3)成束筒結(jié)構(gòu)。在平面內(nèi)設置多個剪力墻薄壁筒體，每個筒體都比較小，這種結(jié)構(gòu)多用于平面形狀復雜的建筑中。 (4)巨型結(jié)構(gòu)體系。巨型結(jié)構(gòu)是由若干個巨柱(通常由電梯井或大面積實體柱組成)以及巨梁(每隔幾層或十幾個樓層設一道，梁截面一般占一至二層樓高度)組成一級巨型框架，承受主要水平力和豎向荷載，其余的樓面梁、柱組成二級結(jié)構(gòu)，它只是將樓面荷載傳遞到第一級框架結(jié)構(gòu)上去。這種結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)梁柱截面較小，使建筑布置有更大的靈活性和平面空間。 除以上介紹的幾種結(jié)構(gòu)體系外，還有其他一些結(jié)構(gòu)形式，也可應用，如薄殼、懸索、膜結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架等，不過目前應用最廣泛的還是框架、剪力墻、框架-剪力墻和筒體等四種結(jié)構(gòu)。