建設(shè)部和上海市的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(定)的制訂,標(biāo)志著我國高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展已進(jìn)入應(yīng)用階段。但我國高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的研究畢竟起步較晚,同時(shí)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也不足,因此不可避免地存在一些問題。

(一)設(shè)計(jì)方法方面存在的主要問題

目前我國高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟為:①按彈性方法計(jì)算結(jié)構(gòu)各構(gòu)件內(nèi)力;②按彈塑性方法驗(yàn)算各構(gòu)件的極限承載力。顯然,上述結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法與結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算方法不匹配,一般高層鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí),已進(jìn)入彈塑性變形階段,此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)力要重新分布,即與彈性狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布不同,因此按目前方法設(shè)計(jì),高層鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的可靠度并不是實(shí)際可靠度,也不能保證各構(gòu)件承載力可靠度的一致性。

(二設(shè)計(jì)指標(biāo)方面存在的主要問題

1.高寬比限值問題

目前我國規(guī)范對(duì)地震區(qū)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的高度比建議限值為純鋼結(jié)構(gòu)為6,鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)為5。然而我國在建的兩幢最高建筑(均為鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu))均超出了上述限制,其中上海金茂大廈的高寬比大于7,而深圳地王大廈的高寬比接近9。

我國現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于高層建筑高寬比的限制主要是根據(jù)我國巧om以下高層混凝土結(jié)構(gòu)提出的,是否適于超高層建筑,特別是超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑,還有待于進(jìn)一步研究。

2.層間變形限值問題

限制層間變形目的在于:①防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如隔墻、幕墻等)的破壞:②保證結(jié)構(gòu)一般能滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性等要求。其中第二個(gè)目的在確定結(jié)構(gòu)方案和進(jìn)行結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)時(shí)是有實(shí)際意義的。

我國規(guī)范對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的層間變形限值為層高的1/400,抗震(小震)的層間變形限值為層高的1/250一1/300。然而問題是,目前我國不少高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際計(jì)算層間變形難于滿足規(guī)范要求,造成不少設(shè)計(jì)不滿足規(guī)范要求?？梢?我國目前高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的層間變形限值究竟合不合理,急待研究解決,一旦研究有最終定論,就應(yīng)嚴(yán)格遵守,以維護(hù)我國工程建設(shè)法規(guī)的嚴(yán)肅性。

此外,我國目前應(yīng)用較多的高層鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)的層間變形限值也需盡早研究解決。

(三)抗風(fēng)設(shè)計(jì)方面存在的主要問題

1.風(fēng)振系數(shù)問題

風(fēng)振系數(shù)是我國現(xiàn)行建筑荷載規(guī)范計(jì)算風(fēng)載時(shí)所需用到的一個(gè)重要系數(shù),該系數(shù)的值對(duì)風(fēng)載值有較大的影響。確定風(fēng)振系數(shù)的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)阻尼比的確定。我國目前確定高層建筑鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)時(shí)所采用的阻尼比是按已建高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在微振下所獲取的阻尼比實(shí)測(cè)值確定的,而高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)所取的風(fēng)載是30一100年一遇的大風(fēng)荷載,在這樣的風(fēng)載下高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)將不是微小振動(dòng),而是有較大位移的振動(dòng),而大位移振動(dòng)與微振的結(jié)構(gòu)阻尼比是不同的,一般前者比后者大。而阻尼比增大,將使風(fēng)振系數(shù)減小。因此目前我國進(jìn)行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)所取的風(fēng)振系數(shù)可能偏大。

2.人體舒適度問題

高層建筑在強(qiáng)風(fēng)作用下由于脈動(dòng)風(fēng)的影響將產(chǎn)生振動(dòng),這種振動(dòng)有可能使高層建筑內(nèi)生活或工作的人在心理上產(chǎn)生不舒服感,從而影響建筑物的正常使用。由于風(fēng)是一種經(jīng)常性的荷載作用,因而有必要將風(fēng)引起的高層建筑的振動(dòng)限制在人體舒適的感覺范圍之內(nèi)。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)較小,故高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的人體舒適度問題更為嚴(yán)重,因此在建設(shè)部和上海市制訂的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(定)中,均要求驗(yàn)算人體舒適度。然而,雖然在規(guī)程(定)中對(duì)如何驗(yàn)算高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的人體舒適度做了具體規(guī)定,但驗(yàn)算中的一些間題并沒有很好解決。例如:驗(yàn)算準(zhǔn)則間題,目前雖公認(rèn)可采用高層建筑振動(dòng)的加速度作為人體舒適度的控制標(biāo)準(zhǔn),但最大允許加速度卻因人而異,在規(guī)程(定)中采用的.02一0.3時(shí)護(hù)的加速度限值,是參照西方國家的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的,不一定適用于中國人的身體情況;還有風(fēng)作用下高層建筑鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度的計(jì)算方法以及進(jìn)行驗(yàn)算人體舒適度時(shí)取多少年重現(xiàn)期的風(fēng)載進(jìn)行計(jì)算等均需進(jìn)一步研究。

(四抗展設(shè)計(jì)方面存在的主要問題

1.設(shè)計(jì)反應(yīng)譜問題

設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的基礎(chǔ),由大量地震反應(yīng)譜的統(tǒng)計(jì)平均確定。盡管地震反應(yīng)譜的計(jì)算理論是經(jīng)典的,只要地震動(dòng)記錄準(zhǔn)確,獲得的地震反應(yīng)譜也將準(zhǔn)確。但是,由于強(qiáng)震記錄儀構(gòu)造的限制,現(xiàn)有的很多強(qiáng)震記錄的長周期成份(大于3s)被濾去或被削弱,因此按這些地震記錄計(jì)算的地震反應(yīng)譜在長周期段將不真實(shí)(值偏小)。由于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的自振周期較長(如京廣中心大廈、金茂大廈、地王大廈的基本周期均超過65),地震反應(yīng)譜長周期段的失真對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的影響將較大。目前上海市標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)周期達(dá)105的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,其計(jì)算選用的地震記錄在105以內(nèi)的周期成份是否完整,需嚴(yán)格考證;而建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)通過人為調(diào)整設(shè)計(jì)反應(yīng)譜長周期的譜曲線來保證高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的安全性,其可靠性尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.彈塑性地震反應(yīng)計(jì)算問題

在上海市和建設(shè)部的標(biāo)準(zhǔn)中,均要求進(jìn)行罕遇地震下高層鋼結(jié)構(gòu)的彈塑性變形驗(yàn)算。目前設(shè)計(jì)院較難遵循這一要求進(jìn)行高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì),主要原因是國內(nèi)尚無實(shí)用的高層鋼結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)計(jì)算程序,特別是缺乏能夠反映高層鋼結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震中真實(shí)狀況的空間彈塑性地震反應(yīng)分析軟件。

3.鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)間題

國外鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)很少在地震區(qū)應(yīng)用,而我國的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)卻較多地采用了這種結(jié)構(gòu)形式。由于我國是一個(gè)多地震國家,而國際上(包括我國)很少開展鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)的抗震研究,因此如何確定這種結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法都是急待解決的間題。

(五)抗火設(shè)計(jì)方面存在的主要問題

鋼結(jié)構(gòu)不耐火,溫度為400℃時(shí),鋼材的強(qiáng)度將降至原強(qiáng)度的一半,溫度達(dá)到600℃時(shí),鋼材基本喪失全部強(qiáng)度。而高層建筑火源多,火災(zāi)荷載密度大,很容易失火,且失火后容易成災(zāi)。由于“煙囪”效應(yīng),高層建筑火災(zāi)一般較難控制。因此,高層鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)極為重要。

由于高層鋼結(jié)構(gòu)建筑80年代后才在我國興建,高層鋼結(jié)構(gòu)的抗火最近才引起我國研究人員的注意。目前我國制訂的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(定)中的抗火部分,主要照搬國外的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)規(guī)定。其設(shè)計(jì)過程為:根據(jù)常溫下結(jié)構(gòu)的荷載狀態(tài)確定結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的內(nèi)力,再根據(jù)此內(nèi)力與構(gòu)件在高溫下的承載力(常通過試驗(yàn)確定)確定各構(gòu)件的耐火時(shí)間極限或所需防火被覆厚度。這種設(shè)計(jì)方法存在如下嚴(yán)重缺陷:①未能考慮溫度變形及應(yīng)力的影響;②未能考慮高溫下結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的影響,即高溫下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的內(nèi)力不同于常溫下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的內(nèi)力;③未能考慮各構(gòu)件相互作用的影響,即結(jié)構(gòu)某一構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)并不意味著整體結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)。