高层框剪结构抗风设计研究

2022-11-03赵志坤

工程建设与设计 2022年19期

赵志坤

（唐钢国际工程技术有限公司，河北唐山063000）

1 高层建筑结构在风荷载作用下的破坏形式

风荷载对高层建筑结构的破坏主要是通过平均风的静力作用和脉动风的动力作用相互叠加造成的，其破坏的主要形式有以下5 种：第一种，高层结构的变形超出设计允许范围，如墙体开裂；第二种，高层结构内部应力超出设计允许范围，如高层结构柱子的主筋屈服；第三种，高层结构出现疲劳破坏；第四种，高层结构出现强烈的震颤，使得整个高层结构出现严重破坏甚至局部结构出现倒塌；第五种，高层结构外围装饰或者围护结构脱落。

根据不同高层建筑结构的基本性能需求不同，将风荷载振动性能水准分为基本无损害、轻微损害、中等程度损害以及严重损害4 类。静力风压的大小由静力风压和风荷载作用的有效面积决定，静力风压w 的计算表达式如式（1）：

式中,us为风荷载作用建筑物的体型系数；uz为风荷载压力高度变化系数；w0为建筑物设计基本风压。

脉动风荷载主要是第一振型，第一振型风振力p 表达式如式（2）：

式中，g 为峰值因子；I10为名义絮流度（10 m 高）；Bz为背景分量因子；R 为共振分量因子；B 为迎风面宽度。

2 高层框剪结构整体抗风设计研究

2.1 依据性能的抗风设计研究

依据高层结构性能的设计方法最早是应用在高层建筑结构抗震设计方面，其应用的目的很明确，即保障生命安全的同时尽可能降低经济损失。但依据高层结构性能抗风设计的应用程度远远比不上抗震设计，依据性能的抗风设计的初衷是在风荷载作用下确保高层建筑结构的安全性。通过对高程建筑结构指定不同级别的性能水准，使得高层结构在整个寿命周期内处理因风荷载带来影响的花费最低。依据高层结构性能的抗风设计基础更加尊重使用者对抗风的具体要求，这一点与传统高层建筑抗风设计完全不同，传统高层建筑抗风设计不能合理确定高层建筑的抗风水准，而依据高层结构性能的抗风设计理念，既考虑了高层建筑结构稳定性又考虑了使用者的舒适程度，这一点正是建筑设计人性化的具体体现。依据性能的高层建筑抗风设计内容主要包括确定抗风性能目标、抗风结构设计以及高层建筑结构抗风性能判定。

高层框剪结构构件强度和高程框架结构整体变形能力在结构设计时处于不确定状态。鉴于此，在高层框剪结构设计时采用依据可靠度的结构设计策略。通过可靠度结构设计进一步量化结构性能指标、结构位移以及结构能量。高层建筑结构变形势必要产生位移变形，即高层建筑结构的水平方向发生变形会使得结构产生水平变形，使得结构出现侧向位移，当侧向位移累加到一定程度，整个高层建筑结构会出现倾覆危险。换言之，在高层建筑结构设计过程中要严格控制结构水平位移的累加量，将位移累加量控制在合理可控的范围内。因此，通过控制高层建筑结构水平位移量来实现建筑结构损伤变形的有效控制。依据高层框剪结构性能的抗风设计是将使用者对建筑功能的需求作为结构位移控制指标的基础，并以此为依据进行建筑结构设计，再利用有限元模型对建筑结构施加风荷载，在模型下进行数值模拟来确定其整体变形量，最终确定变形量计算结构是否在设计规范之内。

2.2 依据结构位移的设计方法

单纯从高层建筑结构抗风能力视角来看，高层结构损伤程度可以通过整体建筑结构的位移量或者建筑局部位移量来确定建筑结构的损伤程度。位移变形量是高层建筑结构性能控制的重要实现途径。基于此，依据高层建筑结构位移的结构设计方法是高层建筑结构抗风能力设计的一种方法。我国建筑规范规定高层建筑结构侧向刚度参数的确定是依据结构楼层层间最大位移与层高之比的限值来实现的。进行与高层建筑结构抗风能力相关设计研究的主要目的就是确保高层建筑在风荷载作用下仍然具有可靠的安全性。高层建筑结构抗风设计的要求是在50 年罕见的大风荷载下，高层建筑依然处于弹性阶段。所谓弹性阶段是指在风荷载作用下，高层建筑依然处于结构基本完好且只有极少数承重墙出现裂缝的轻微损害状态。

3 高层建筑框剪结构抗风设计的不确定因素及灵敏度分析

3.1 抗风设计的不确定性

无论是高层建筑结构的设计环节还是施工环节，都受到人为因素、环境因素以及工艺施工因素的影响。在多重因素的综合影响下会产生很多种计算模型、不计其数的边界条件，使得荷载作用在建筑结构上的效能具有不确定性，换言之，建筑结构的强度、结构的位移量以及结构所受的应力都是不确定值。而数值分析的准确程度与参数选择的准确程度是密不可分的。参数的不确定性同样影响着极限方程计算结果，同时也是结构整体可靠度的研究基础。基于此，在有限元模型分析过程中考虑随机因素变量具有重要现实意义。通过高层建筑结构材料性能的不确定性和建筑结构几何参数的不确定性来分析高层框剪结构在风荷载作用下发生的位移变化。高层框剪结构中对结构产生主要影响的部分有框架柱、框架梁以及剪力墙等构件，而这些构件的主要材料就是钢筋混凝土，所以这些构件材料性能变量的内容主要包括弹性模量、钢筋的屈服强度以及混凝土抗压强度。高层框剪结构几何参数变量主要包括钢筋直径、钢筋纵向锚固长度、柱体横截面面积以及结构梁横截面面积等。

3.2 参数灵敏度分析

高层框剪结构可靠度分析时需要处理的位移响应变量较多，如果将所有的变量都按照随机变量处理，那会使得处理分析过程异常复杂。在确保计算精度的前提下本着简化计算过程的原则，将那些对结构可靠度有显著影响的参数作为变量，而那些对结构影响力较弱的参数可以直接当作常量来处理。之所以进行灵敏度分析是因为灵敏度可以摸清每个参数变量对结构位移的影响程度，还可以通过减少变量个数实现降维效果。高层框剪结构随机变量参数灵敏度分析的分以下4 个步骤：第一步，将所有变量的平均值输入系统，并利用有限元软件分析出高层建筑结构在风荷载作用下的位移响应；第二步，分别用每个参数区间范围上下限数值的3 倍标准差来代替第i 个随机变量并获取位移响应；第三步，按照第二步的标准对高层建筑结构位移和第i 个随机变量之间的关系进行分析，并绘制二者之间的关系曲线图；第四步，通过第三步获取的关系曲线图来确定敏感参数指标。

4 高层框剪结构整体抗风设计实例研究

4.1 案例简介

某框剪结构高层建筑，地上21 层，地上1 层层高5 m，地上2 层层高4.5 m，地上1 层和2 层均作为商业使用，地下2 层为车库。地上3～21 层层高为3.8 m，均为办公使用。建筑外框架平面尺寸为23 m×23 m。建筑结构的基本风压参数为0.45 kN/m2，地面粗糙程度为B 级。该框剪结构高层建筑的结构主要包括框架柱与梁、剪力墙。不同构件的尺寸和构件材料类型见表1。

表1 高层结构构件信息表

4.2 有限元建模

通过有限元分析软件将案例工程划分成5 877 个梁单元、6 521 个壳单元以及12 355 个节点。采用等效钢筋面积法将梁内钢筋、柱内钢筋进行换算。换算步骤如下：先计算梁体和柱体横截面的纵向钢筋量，再依据梁体混凝土厚度和柱体混凝土厚度来计算型钢的高度和宽度，最后通过验算验证该等效换算满足实验基本收敛要求。

4.3 风荷载的确定

依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》和建筑框架结构在风荷载作用下的变形主要发生在水平方向，所以风荷载的计算主要考虑第一振型风的影响。由案例项目给出的基本数据可知，基本风压为0.45 kN/m2，地面粗糙程度为B 级，则根据规范可知该建筑结构的迎面风体型系数为0.8，背面风体型系数为-0.6；其余计算常数按照GB 50009—2012《建筑荷载规范取值》。结合公式（1）和公式（2）可以计算出该建筑框剪结构表面的风荷载值，并通过拟合工具做出第一振风拟合曲线，将拟合曲线数据与中心数据进行对比，平均误差在0.003以内，可以确定拟合结果符合要求。

4.4 灵敏度参数确定

高层框剪结构中主材为钢筋和混凝土。由于结构刚度受弹性模量影响较大，所以分析钢筋和混凝土的弹性模量对建筑结构侧向高度影响灵敏度分析是十分必要的。以钢筋和混凝土弹性模量平均值为基点，在标准差倍数上下变化，将结构顶点最大位移作为判断侧向刚度的标准。高层框剪结构的几何尺寸主要包括梁体尺寸、柱子尺寸、梁和柱体内钢筋直径以及剪力墙墙体厚度，几何参数的变化范围选取策略和材料强度选取策略一致。通过对钢筋混凝土强度和钢筋混凝土几何尺寸随机性对结构变形影响的分析结果可知，对建筑结构顶点位移影响最敏感的是混凝土弹性模量。当混凝土弹性模量增加，建筑结构的变形减小，可以确定混凝土弹性模量对建筑建筑结构的整体稳定性具有重要作用。

梁体高度是次敏感因素。此外，梁体宽度和剪力墙厚度的也是较为敏感的因素。混凝土弹性模量、梁体高度和宽度以及剪力墙厚度对建筑结构位移变化率的影响都在2%以上，可以确定这4 个参数对建筑结构刚度影响较大。

4.5 框剪结构的抗风顶层位移可靠度计算

根据灵敏度分析确定混凝土弹性模量、梁体高度和宽度以及剪力墙厚度4 个参数对建筑结构顶点位移影响显著，所以选择这4 个参数作为顶面位移函数的响应面，之后即可进行建筑结构的可靠性分析。根据建筑结构技术规范要求，建筑结构的整体变形能力为建筑结构总高度与各楼层之间的弹性位移角限值的乘积，风荷载作用的高层框剪结构顶点位移为高层结构在风荷载作用下所产生的位移需求，所以建筑结构变形的状态方程表达式为：式中，Z 为建筑结构变形量；H 为高层框剪结构总高度；Δu/h 为楼层之间的弹性位移角限值；Δ 为高层框剪顶点位移。