《高层建筑混凝土结构技术规程》若干问题讨论

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）若干问题讨论中国建筑科学研究院黄小坤1．多层建筑如何参照执行《混凝土高规》适用于10层及10层以上或房屋高度超过28m的非抗震设计和抗震设计烈度为6～9度的高层民用建筑结构。对于不超过10层或房屋高度不超过28m但接近10层或28m(如8层或24m)的混凝土民用建筑科参照《混凝土高规》的相关规定执行。对于层数较少、房屋高度较矮的混凝土房屋，《混凝土高规》的某些规定可根据具体情况适当放松；《混凝土结构设计规范》GB50010-2002、《建筑抗震设计规范》GB50011-2002（以下分别简称《混凝土规范》、《抗震规范》）有关多层建筑也有一些规定。今后，随着规范的不断完善，对于多层混凝土结构房屋的结构设计，宜有更详细的专门规定。2．风压取值基本风压按《混凝土高规》第3.2.2条的规定采用，但不得小于0.3N/。对于特别重要的高层建筑，目前尚无统一、明确的定义，一般可根据《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001规定的设计使用年限和安全等级确定。设计使用年限为100年的或安全等级为一级的高层建筑可认为是特别重要的高层建筑。对风荷载是否比较敏感，主要与高层建筑的自振特性有关，如结构的自振频率和振型等。对于前几阶振型频率比较密集、振型比较复杂的高层建筑结构，高振型影响不可忽视，仅采用考虑第一振型影响的风振系数来估计风荷载的动力作用，有时不能全面反映建筑物对风荷载的动力影响，可能偏于不安全，因此适当地提高风压取值。为了便于条文的执行，《混凝土高规》条文说明指出，一般情况下，房屋高度大于60m的高层建筑可取100年一遇的风压值；对于房屋高度不超过60m的高层建筑，其风压取值是否提高，可由设计人员根据实际情况确定。对于侧向刚度较大的高层建筑结构，房屋高度大于60m时也可按50年一遇的基本风压计算风荷载。3．群集建筑的风荷载增大对房屋相互间距较近的建筑群，由于旋涡的相互干扰，房屋的某些部位的局部风压会显著增大，设计时宜考虑其不利影响。群体效应一般与建筑物的相对高度、距离、方位、体型等有关，情况比较复杂，我国现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB5009-2001尚未给出具体计算方法，一般可将风荷载体型系数进行放大，如《混凝土高规》第3.2.7条的要求。风洞试验表明，风对群集建筑物的荷载增大效应往往是局部的，表现为局部风压的增大。对于有参考经验的情况，可采用已有的放大系数；对比较重要的或体型、环境非常复杂的高层建筑，建议通过边界风洞试验考虑风荷载作用。4．6度抗震设计时为何规定计算地震作用和作用效应鉴于高层建筑的重要性且结构计算软件应用已十分普遍，因此规定所有6度抗震设计的高层建筑也进行地震作用和作用效应计算，而不仅仅限于四类场地上的较高房屋。通过计算，可与无地震作用效应组合工况进行比较，并可采用有地震作用组合的柱轴压力设计计算柱的轴力等，方便抗震设计。5．考虑质量偶然偏心的依据和方法国外多数抗震设计规范认为，需要考虑由于施工、使用等因素所引起的质量偶然偏心或地震地面运动的扭转分量的不利影响。现行国家标准《抗震规范》中，对平面规则的结构，采用增大边榀结构地震作用效应的简化方法考虑偶然偏心的影响。对于高层建筑而言，规定直接取垂直于地震作用方向的建筑物每层投影长度的5％作为该层质量偶然偏心来计算单向水平地震作用，是和国外有关标准的规定一致的。实际计算时，可将每层质心沿参考坐标系的同一方向（正向或负向）偏移，分别计算地震作用和作用效应；也可近似按照原始质量分别情况计算地震作用，再按规定的质量偶然偏心位置分别施加计算的地震作用，分别计算结构的地震作用效应。对于连体结构、多塔楼结构，相对分离的塔块可按自身的边长确定相应楼层的质量偶然偏心值。6．何时需要考虑计算双向地震作用强震观测表明，几乎所有地震作用都是多向性的，尤其时沿水平方向和竖向的振动作用。《混凝土高规》第3.3.2条规定了考虑计算双向地震作用的情况，即质量与刚度分布明显不均匀、不对称的结构。“质量与刚度分布明显不均匀不对称”，主要看结构刚度和质量的分布情况以及结构扭转效应的大小，总体上是一种宏观判断，不同设计者的认识有一些差异是正常的，但不应该产生质的差别。一般而言，可根据楼层最大位移与平均位移之比值判断，若该值超过扭转位移比下限1.2较多（比如A级高度高层建筑大于1.4、B级高度或复杂高层建筑等大于1.3），则可认为扭转明显，需考虑双向地震作用下的扭转效应计算，此时，判断楼层内扭转位移比值时，可不考虑质量偶然偏心的影响。7．如何计算双向地震作用《混凝土高规》第3.3.11条规定了双向地震作用效应的计算方法。计算分析表明，双向地震作用对结构竖向构件(如框架柱)设计影响较大，对水平构件（如框架梁）设计影响不明显。假定结构整体坐标系为OXYZ，框架柱局部坐标系为oxyz，在X、Y单向地震作用下框架柱的地震内力标准值如表1，则考虑双向地震作用下的框架柱地震内力标准值可表示为：X、Y单向地震作用下柱内力标准值柱内力标准值轴力x轴弯矩y轴弯矩x轴剪力y轴剪力扭矩X向作用Y向作用安装规定，位移指标的核算也应该考虑双向地震作用，例如对楼层内最大弹性水平位移（层间位移）平均水平位移（层间位移）的比值要求。8．质量偶然偏心和双向地震作用是否同时考虑质量偶然偏心和双向地震作用都时客观存在的事实，是两个完全不同的概念。在地震作用计算时，无论考虑单向地震作用还是双向地震作用，都有结构质量偶然偏心的问题；反之，不论是否考虑质量偶然偏心的影响，地震作用的多维性本来都应考虑。显然，同时考虑二者的影响计算地震作用原则上是合理的。但是，鉴于目前考虑二者影响的计算方法并不能完全反映实际地震作用情况，而是近似的计算方法，因此，二者何时分布考虑以及是否同时考虑，取决于现行规范的要求。安装《混凝土高规》的规定，单向地震作用计算时，应考虑质量偶然偏心的影响；质量与刚度分布不均匀、不对称的结构，应考虑双向地震作用计算。因此，质量偶然偏心和双向地震作用的影响可不同时考虑。如此规定，主要是考虑目前计算方法的近似性以及经济方面的因素。至于考虑质量偶然偏心和考虑双向地震作用计算的地震作用效应谁更为不利，会随着具体工程的不同，或同一工程的不同部位（不同构件）而不同，不能一概而论。因此，考虑二者的不利情况进行结构设计，显然是不可取的。9．单向与双向地震作用扭转效应应有何区别对水平地震作用而言，只要结构的刚度中心和质量中心不重合，则必定有地震扭转效应。按《混凝土高规》第3.3.2条第2款的规定，无论单向还是双向地震作用，均应考虑地震扭转效应。单向地震作用是指每次仅考虑一个方向地震输入，其作用和作用效应可采用非耦联或耦联的振型分解反映谱方法计算，前者主要适用于简单规则的结构。单向地震作用的非耦联计算，也应考虑扭转效应(质心与刚心不重合时)，但忽略了平动与扭转振型的耦联作用；单向地震作用的耦联计算，按《混凝土高规》（3.3.11-1）和（3.3.11-6）式进行，已包含了平扭耦联效应。目前，双向地震作用是考虑两个垂直的水平方向同时有地震输入时的作用和作用效应计算，每个方向的地震作用和作用效应均按《混凝土高规》（3.3.11-1）~(3.3.11-6)式计算，然后按（3.3.11-7）和（3.3.11-8）式计算双向地震作用效应，并取二者的较大值。因此，在需要考虑双向水平地震作用计算的情况下，双向地震作用效应应一定大于不考虑质量偶然偏心的单向地震作用效应。10．如何按水平地震剪力系数最小值调整地震剪力对于刚度较弱、周期较长的结构，地震地面运动速度和位移输入可能对结构的破坏具有更大影响，但现行规范所采用的振型分解反映谱法对此尚不能作出估计。《混凝土高规》第3.3.13条规定了结构各层地震剪力系数（剪重比）最小值λ，使周期更长、规定较弱的结构的地震作用不过小。如果结构部分楼层实际计算的地震剪力系数与规定的λ值相差不多，则可直接按最小剪力系数要求调整相关层的地震剪力；如果结构总剪力与规定的值相差不多，表明结构整体刚度偏小，宜适当增加结构侧向刚度，使计算的地震作用增加。地震剪力的调整可直接反映在相应楼层构件的地震内力中，不必向下层传递。对于6度抗震设计的结构，《抗震规范》没有规定其地震剪力系数最小值，《混凝土高规》中也不能自行加以规定。作为参考，设计中一般可考虑控制为0.008～0.01。对高层建筑的地下室结构层，当嵌固部位在地下室位置时，一般不要求单独核算楼层最小地震剪力系数，因为地下室的地震作用是明显衰减的。11．如何判断结构扭转为主的振型为了使结构的扭转刚度不过弱，以免产生过大的扭转效应，《混凝土高规》第4.3.5条，规定了结构扭转为主的第一自振周期与平动扭转为主的第一自振周期之比的限制性要求。因此，对每一个特定的结构，需要确定每一个振型的特征，判断它是平动为主还是扭转为主。在正则化振型向量空间中，结构质量矩阵具有正交性，即(1)其中，为振型矩阵，M为集中质量矩阵，I为单位对角矩阵。对第j振型有(2)(3)(4)其中，分别为第i质点j振型的三个振型位移分量；分别为第i质点的集中质量和质量惯矩；n为质点总数（计算层数）。将（3）、（4）式代入（2）式并定义方向因子为(5)则有(6)由（6）式可知，当扭转方向因子大于0.5时，可判断j振型为扭转为主的振型；否则，可认为是平动为主的振型。当扭转因子等于1时，即为纯扭转振型；当扭转因子等于0时，即为纯平动振型。振型因子大于0.5的物理意义可理解为楼层扭转中心与质心的距离在楼层转动半径之内。对特定的结构，平动因子和的相对大小，与整体坐标系水平轴的方向有关，不同的水平坐标轴取向，会得到不同的和值，但是扭转因子是保持不变的。当然，振型特征判断还与宏观振动形态有关。对结构整体振动分析而言，结构的某些局部振动的振型是可以忽略的，以利于主要问题的把握。12．如何取结构自振周期折减系数《混凝土高规》第3.3.16条规定应考虑非承重墙体的刚度影响，对计算的结构自振周期予以折减，并按折减后的周期值确定水平地震影响系数。如果在结构分析模型中，已经考虑了非承重墙体的刚度影响，则不可以进行周期折减。周期折减系数的取值，与结构中非承重墙体的材料性质、多寡、构造方式等有关，应由设计人员根据实际情况确定，《混凝土高规》第3.3.17条给出的参考值，主要是砖或空心砖砌体填充墙结构的经验总结，不是强制的。13．何时考虑竖向地震作用？如何考虑？按《混凝土高规》第3.3.2条规定，9度抗震设计以及8度设计时的大跨度、长悬臂结构应考虑竖向地震作用，包括第10.2.6条的转换构件以及第10.5.2条的连体结构的连接体[2]。9度抗震设计时，整体结构的竖向地震作用可按《混凝土高规》第3.3.14条的方法计算；8、9度时，大跨度、长悬臂结构构件的竖向地震作用可按《混凝土高规》第3.3.15条的规定近似考虑，对于8度0.3g的情况，竖向地震作用标准值可取结构或结构构件重力荷载代表值的15%.当然，有条件时或设计需要时，采用竖向加速度反映谱方法或动力时程分析方法计算结构竖向地震作用时更合适的方法。无论采用何种方法计算竖向地震作用，均应按《混凝土高规》第5.6.3条的规定进行地震作用效应的组合，即把竖向地震作用效应作为一个组合工况考虑。14．房屋高度和适当高度房屋高度指建筑室外地面至主要屋面的高度，不包括局部突出屋面的楼梯间、电梯间、水箱间、小的装饰构架、女儿墙等。对有斜坡屋顶的高层建筑，房屋高度一般仍可算倒屋檐标高处；对于立面逐层收进的高层建筑，其房屋高度应根据实际情况（如收进后的建筑功能、平面相对大小等）确定。最大适用高度指《混凝土高规》第4.2.2条、7.1.2条、10.1.3条、11.1.2条规定的房屋适用的最大高度。这里所说的最大适用高度是与《混凝土高规》的规定相适用的，并不是一般意义上高层建筑的最大高度限制。当房屋高度超过《混凝土高规》的规定时，结构实际应有可靠的依据和有效的技术措施，并需通过指定结构的抗震专项审查。15．防烈度8度、设计基本地震速度值为0.3g时，25～30米高度