我国300米高建筑常用结构体系研究及位移角合理限值探讨

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我国300米左右高度的建筑日渐增多,每个项目都需要为寻找最适宜的结构体系进行对比分析研究,耗费大量人力物力,但尚未有对全国各种地区及各种建筑体型所适宜的结构体系进行全面系统性的对比分析研究。本文根据常规建筑条件假定建立结构计算模型,采用ETABS程序进行分析,PKPM-satwe程序复核。分类对比五个不同因素,包括不同的外框高宽比;不同的核心筒高宽比;不同的四种常见结构体系(框架-核心筒、支撑框架-核心筒、巨型框架-核心筒、巨型支撑框架-核心筒);高低不等的地震作用设防烈度;大小不同的风荷载。主要结论有几点:(1)当设防烈度不超过7度(0.1g)且风荷载不超过0.5kN/m~2时,常规的框架-核心筒结构体系即可适用,但需要核心筒平面尺寸足够大并尽量减轻自重以满足刚重比等指标的要求。(2)当设防烈度为7度半(0.15g)且风荷载不超过0.9kN/m~2时,有一定加强措施的支撑框架-核心筒结构体系或巨型框架-核心筒结构体系可适用。(3)当设防烈度为8度(0.2g)且风荷载不超过0.9kN/m~2时,往往需要采用多种加强措施相结合的巨型支撑框架-核心筒结构体系才适用。(4)从结构加强措施的效率(最大层间位移角指标的改善程度/用钢量的增加)而言,优先顺序基本为外框斜撑>伸臂桁架>环桁架。(5)当地震作用是控制因素,刚度突变对结构不利,外框支撑的综合效果要优于伸臂桁架,因为外框支撑是整个区段同时加大结构抗侧刚度,而伸臂桁架是集中在加强层增大结构抗侧刚度。(6)设置伸臂桁架与是否设置环桁架并无密切关联;但在设置外框斜撑时,宜在斜撑区段上下设置环桁架,以平衡外框斜撑的水平分力。并且,针对我国超高层建筑主要分布在沿海城市的特点,以某风荷载作用控制地区的项目为例,在前文提出的结构概念基础上,进一步提出结构设计分析的方法、步骤以及最终得到的结构设计方案,以提供具体的参考。另外,对各国(或区域)规范中关于风荷载作用产生的位移角的控制指标进行研究和对比分析,比较各国(或区域)对结构刚度要求大小的区别,以探讨风荷载作用下位移角限值的合理取值。以某建筑为参考案例建立简化模型,深入对比中国香港地区的建筑分别执行中国规范和香港规范的差别。因为两个规范将对自然风的选取不同、风速转换为结构计算所采用风荷载的公式不同、规范对结构在风荷载作用下变形的控制指标也不同,导致两个规范对建筑所需的结构刚度有差异。而另一方面,香港地区经历了多年各种强风,并未发生结构明显破坏或不适用的情况,说明执行两个规范设计的建筑的结构刚度都是满足实际所需的,那么两个规范对建筑结构刚度要求的差异就可以理解为两个规范对建筑结构刚度安全度要求高低的差异。经对比分析可知,对于风荷载作用下产生的基底剪力,中国国家标准规范风荷载最大的A类场地比香港规范大约30%(最常见的C类场地与香港规范相当);考虑两个规范对变形限制的差异后,对于结构抗风刚度安全度的要求,中国国家标准规范风荷载最大的A类场地比香港规范的要求大约70%(最常见的C类场地要求大约40%)。即对于结构本身需求而言(对建筑变形有限制的不仅是结构本身需求,还有幕墙等附属构件的适用性、电梯等设备的运行条件、人的舒适度感觉,等各种因素),中国国家标准规范对结构刚度要求的安全度略大,如能适当降低要求,将可能产生较为可观的经济效益。本文旨在为我国300米高建筑在现行规范要求下的结构体系选型及设计提供参考,并针对位移角限值进行探讨,在结构安全性与经济性两者之间寻求合理的平衡点。
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