建设部和上海市的高层建筑钢结构设计规范(定)的制订,标志着我国高层建筑钢结构设计理论的发展已进入应用阶段。但我国高层建筑钢结构设计理论的研究毕竟起步较晚,同时设计经验也不足,因此不可避免地存在一些问题。
(一)设计方法方面存在的主要问题
目前我国高层建筑钢结构的设计步骤为:①按弹性方法计算结构各构件内力;②按弹塑性方法验算各构件的极限承载力。显然,上述结构内力计算方法与结构承载力验算方法不匹配,一般高层钢结构达到承载力极限状态时,已进入弹塑性变形阶段,此时结构内力要重新分布,即与弹性状态时结构内力的分布不同,因此按目前方法设计,高层钢结构各构件的可靠度并不是实际可靠度,也不能保证各构件承载力可靠度的一致性。
(二设计指标方面存在的主要问题
1.高宽比限值问题
目前我国规范对地震区高层钢结构建筑的高度比建议限值为纯钢结构为6,钢一混凝土混合结构为5。然而我国在建的两幢最高建筑(均为钢一混凝土混合结构)均超出了上述限制,其中上海金茂大厦的高宽比大于7,而深圳地王大厦的高宽比接近9。
我国现行规范关于高层建筑高宽比的限制主要是根据我国巧om以下高层混凝土结构提出的,是否适于超高层建筑,特别是超高层钢结构建筑,还有待于进一步研究。
2.层间变形限值问题
限制层间变形目的在于:①防止非结构构件(如隔墙、幕墙等)的破坏:②保证结构一般能满足强度、稳定性等要求。其中第二个目的在确定结构方案和进行结构初步设计时是有实际意义的。
我国规范对高层钢结构抗风的层间变形限值为层高的1/400,抗震(小震)的层间变形限值为层高的1/250一1/300。然而问题是,目前我国不少高层建筑钢结构的实际计算层间变形难于满足规范要求,造成不少设计不满足规范要求。可见,我国目前高层钢结构设计标准的层间变形限值究竟合不合理,急待研究解决,一旦研究有最终定论,就应严格遵守,以维护我国工程建设法规的严肃性。
此外,我国目前应用较多的高层钢一混凝土混合结构的层间变形限值也需尽早研究解决。
(三)抗风设计方面存在的主要问题
1.风振系数问题
风振系数是我国现行建筑荷载规范计算风载时所需用到的一个重要系数,该系数的值对风载值有较大的影响。确定风振系数的关键是结构阻尼比的确定。我国目前确定高层建筑钢结构风振系数时所采用的阻尼比是按已建高层钢结构建筑在微振下所获取的阻尼比实测值确定的,而高层建筑抗风设计所取的风载是30一100年一遇的大风荷载,在这样的风载下高层建筑钢结构的振动将不是微小振动,而是有较大位移的振动,而大位移振动与微振的结构阻尼比是不同的,一般前者比后者大。而阻尼比增大,将使风振系数减小。因此目前我国进行高层建筑钢结构抗风设计所取的风振系数可能偏大。
2.人体舒适度问题
高层建筑在强风作用下由于脉动风的影响将产生振动,这种振动有可能使高层建筑内生活或工作的人在心理上产生不舒服感,从而影响建筑物的正常使用。由于风是一种经常性的荷载作用,因而有必要将风引起的高层建筑的振动限制在人体舒适的感觉范围之内。高层建筑钢结构的刚度相对较小,故高层钢结构建筑的人体舒适度问题更为严重,因此在建设部和上海市制订的高层建筑钢结构设计规程(定)中,均要求验算人体舒适度。然而,虽然在规程(定)中对如何验算高层钢结构建筑的人体舒适度做了具体规定,但验算中的一些间题并没有很好解决。例如:验算准则间题,目前虽公认可采用高层建筑振动的加速度作为人体舒适度的控制标准,但最大允许加速度却因人而异,在规程(定)中采用的.02一0.3时护的加速度限值,是参照西方国家的标准规定的,不一定适用于中国人的身体情况;还有风作用下高层建筑钢结构振动加速度的计算方法以及进行验算人体舒适度时取多少年重现期的风载进行计算等均需进一步研究。
(四抗展设计方面存在的主要问题
1.设计反应谱问题
设计反应谱是采用振型分解反应谱法进行结构抗震计算的基础,由大量地震反应谱的统计平均确定。尽管地震反应谱的计算理论是经典的,只要地震动记录准确,获得的地震反应谱也将准确。但是,由于强震记录仪构造的限制,现有的很多强震记录的长周期成份(大于3s)被滤去或被削弱,因此按这些地震记录计算的地震反应谱在长周期段将不真实(值偏小)。由于高层建筑钢结构的自振周期较长(如京广中心大厦、金茂大厦、地王大厦的基本周期均超过65),地震反应谱长周期段的失真对高层钢结构建筑的影响将较大。目前上海市标准提供了一个周期达105的设计反应谱,其计算选用的地震记录在105以内的周期成份是否完整,需严格考证;而建设部标准通过人为调整设计反应谱长周期的谱曲线来保证高层建筑钢结构抗震设计的安全性,其可靠性尚需进一步验证。
2.弹塑性地震反应计算问题
在上海市和建设部的标准中,均要求进行罕遇地震下高层钢结构的弹塑性变形验算。目前设计院较难遵循这一要求进行高层钢结构抗震设计,主要原因是国内尚无实用的高层钢结构的弹塑性地震反应计算程序,特别是缺乏能够反映高层钢结构在强烈地震中真实状况的空间弹塑性地震反应分析软件。
3.钢一混凝土混合结构抗震设计间题
国外钢一混凝土混合结构很少在地震区应用,而我国的高层建筑钢结构却较多地采用了这种结构形式。由于我国是一个多地震国家,而国际上(包括我国)很少开展钢一混凝土混合结构的抗震研究,因此如何确定这种结构的抗震设计原则、设计指标和设计方法都是急待解决的间题。
(五)抗火设计方面存在的主要问题
钢结构不耐火,温度为400℃时,钢材的强度将降至原强度的一半,温度达到600℃时,钢材基本丧失全部强度。而高层建筑火源多,火灾荷载密度大,很容易失火,且失火后容易成灾。由于“烟囱”效应,高层建筑火灾一般较难控制。因此,高层钢结构的抗火设计极为重要。
由于高层钢结构建筑80年代后才在我国兴建,高层钢结构的抗火最近才引起我国研究人员的注意。目前我国制订的高层建筑钢结构设计规程(定)中的抗火部分,主要照搬国外的设计方法与设计规定。其设计过程为:根据常温下结构的荷载状态确定结构各构件的内力,再根据此内力与构件在高温下的承载力(常通过试验确定)确定各构件的耐火时间极限或所需防火被覆厚度。这种设计方法存在如下严重缺陷:①未能考虑温度变形及应力的影响;②未能考虑高温下结构内力重分布的影响,即高温下结构各构件的内力不同于常温下结构各构件的内力;③未能考虑各构件相互作用的影响,即结构某一构件达到极限状态并不意味着整体结构达到极限状态。
