高层建筑混凝土结构的稳定设计论述.pdf

第十七届全国高层建筑结构学术会议论文 2002年 高层建筑混凝土结构的稳定设计 徐培福 肖从真 (中国建筑科学研究院.北京100013) 提 要 高层建筑混凝土结构在竖向荷重及风或地震作用下，其结构稳定己成为设计中需要考虑的问题。本文分析影响高层建筑混凝土结构稳定的主要参数，提出控制及验算结构稳定的设计建议。关键词 高层建筑结构 结构稳定 1前言 随着高层建筑混凝土结构的高度和高宽比的增加，以及建筑内部空间的扩大，其结构重量增加而刚度相对减弱，由此使高层混凝土结构的稳定问题引起了人们的重视和关注。本文结合 “钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程 (JGJ3-91)”的修订，对此问题进行了研究分析。 高层建筑混凝土结构仅仅在重力荷载作用下，产生整体失稳的可能性是很小的，其临界荷重是结构失稳的上限值，此值可用以近似确定P-△效应的不利影响。当结构在风或地震作用下产生水平位移时，重力荷载将引起结构的P-△效应，从而使结构的位移和内力增加[ 1)[21，甚至导致结构失稳，这种失稳的可能性远大于仅在竖向荷重作用下的失稳。因此，高层建筑混凝土结构的稳定设计，主要是控制和验算结构在风或地震作用下，重力荷载产生的P-△效应对结构性能降低的影响，以及由此引起的结构失稳。 本文将分别讨论高层建筑混凝土结构俘在重力荷载作用下的临界荷重，影响P-△效应和结构失稳的主要参数，以及控制和验算结构稳定的设计建议。 2高层建筑混凝土结构的临界荷重 高层建筑混凝土结构可视为具有中等长细比的悬臂杆，其高宽比一般为3-9。此悬 徐培福，男，1936.10.硕士，研究员 一 484一 第十七届全国高层建筑结构学术会议论文 2002年臂杆的整体失稳或整体楼层失稳形态有三种可能:剪切型、弯曲型及弯剪型。纯框架结构的失稳形态一般为剪切型;剪力墙结构的失稳形态为弯曲型或弯剪型:框架一剪力墙、框架一筒体等带有剪力墙或筒体的结构，其失稳形态一般为弯剪型。2. 1剪切型失稳的临界荷重 剪切型失稳往往是整体楼层的失稳，纯框架的梁、柱因双曲率弯曲产生层间侧向位移，呈现出整个楼层的屈曲。近似计算中，不考虑柱子轴向变形的影响，其临界荷重为m.(艺Gj)o}=D;h (1) 式中(艺G)为第，楼层的临界荷重，等于第，层及其以上各楼层重力荷载的总和，D 为第i楼层的抗侧刚度，h，为第i楼层的层高。2.2奄曲型和弯剪型失稳的临界荷孟 弯曲型悬臂杆的临界荷重可由欧拉公式求得:P,.一二，EJ/ -, /4h‘ (2) 式中Pcr为作用在悬臂杆顶部的竖向临界荷重，EJ为悬臂杆的弯曲刚度，H为悬臂杆的高度。 为简化计算，将作用在顶部的临界荷重Pal以沿楼层均匀分布的重力荷载之总和 (艺G, ),，取代。P.=3(客G;，一 (3) 将式 (3)代入式 (2)得:(艺G;)二= _ EJ=/.4-二二 H` (4) 对于弯剪型悬臂杆，近似计算中，可用等效抗侧刚度EJ,取代式(4)中的弯曲刚度EJ。 作为临界荷重的近似计算公式，可对弯曲型和弯剪型悬臂杆统一表示为:(1G,)=7.4 EJZ., H (5) 一 礴85一 2002年5影响p- 0效应及结构失稳的主要参数第十七届全国高层建筑结构学术会议论文 考虑P-△效应后，结构的侧移近似可用下列公式表示[1l. 对弯剪型结构‘=一二卫十一△ 1-EG, /(EGi ).,i.] i=I 对剪切型结构时=一 止一 S; (6) (7)1-EGG/(其G;)n 式中0，△分别为考虑P-△效应及不考虑P-△效应的结构侧向位移，灰，6;分别为考虑P-△效应及不考虑P-“效应的结构第‘层的层间位移，Y}G、为各楼层重力荷载的总 和，艺Gi为第‘层及其以上各楼层重力荷载的总和。 由式(5). (6)和式〔1). (7)可推导出考虑P-△效应的侧移与不考虑P-△效应的侧移之关系式如下: 弯剪型结构 ‘=一一牛，一△ 1- EJ,/HZ全G; (S)剪切型结构 介一一-S; 1一一 丁一一 (9)D;h;/EG 作为近似计算，水平荷载作用下，考虑P-△效应后结构构件弯矩M.与不考虑P-△效应时的弯矩M可用下列公式表示: 弯剪型结构 M‘二 0.135 (10)1一EJ, /HZ EG; 一 璐名6一 第十七届全国高层建筑结构学术会议论文 2002年剪切Ml m#4 M.= 1-1 M (11)D;h; /EG 由公式‘8). (10，和(9). (1)可知，结构的抗侧刚度与重力荷载之比‘EJ,/HZ艺G 和D;h;/艺Gi)，是影响P-△效应的