超长建筑设计的规范理解与设计应用

超长建筑设计的规范理解与设计应用

归亚华

上海中森建筑与工程设计顾问有限公司 上海 200333

[摘要]：建筑超长主要会给结构设计带来两个问题，这两个问题都应采取有效的技术措施加以妥善地解决。采取有效的技术措施能满足超长建筑的抗震设防；采取有效的计算和构造措施来能减少或消除超长建筑的温度作用效应。

[关键词]：超长建筑、结构缝（防震缝、伸缩缝）、长宽比、抗震措施、抗震概念设计、抗扭刚度、周期比、位移比、混凝土开裂、混凝土收缩、极限拉伸、非荷载作用（混凝土徐变、收缩、温度变化、约束内力的效应）、弹塑性特性、抗裂有效措施。

一、前言

一般建筑特别是住宅类现浇式或装配整体式剪力墙结构建筑单元长度超过45m或55m较多时，结构设计通常按规范或当地政府文件的规定用增设结构缝的方法来解决建筑超长后的震害和温差裂缝这两方面的问题；然而结构缝的设置理所当然还应考虑对建筑功能（如装修观感、止水防渗、保温隔声等）、结构传力（如结构布置、构件传力）、构造做法和施工可行性等造成的影响。如果一味地追求不超长，忽视建筑功能存在也是得不偿失的。

建筑超长主要会给结构设计带来两个主要问题，这两个问题都应采取有效的技术措施加以妥善地解决。

二、超长建筑抗震设计难点

《规范》对超长建筑在抗震方面的限制，《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3–2010)3.4.3条2款“平面长度不宜过长，L/B宜符合表3.4.3的要求”，其条文说明给出的解释是“平面过于狭长的建筑物在地震时由于两端地震波输入有相位差而容易产生不规则的振动、产生较大的震害，表3.4.3给出了L/B的最大限值。在实际工程中，L/B在6、7度抗震设计时最好不超过4；在8、9度抗震设计时最好不超过3”。由此可见建筑单体长度超过50m左右增设结构缝有其一定的依据和合理性。然而，设置抗震缝后，常带来建筑、结构及设备设计上的许多困难。结构大师林同炎告诫我们“结构设计没有惟一解”，其在《结构概念和体系》一书中指出：“当你用规范的条文进行结构的设计时，必须记住两个字：小心”。所以，一个有经验的结构工程师，一方面必须熟悉、了解和吃透规范条文的真实含义，另一方面把设计规范作为一种指导、依据，而不是将其教条地盲目地照搬照套。上述规范、文件规定仅作了“不宜”或者“不规则”之一，没有必要将其作为“强制性条文”来执行，生搬硬套会造成不合理的设计给业主和建筑师留下遗憾。

随着我国建设事业的发展，建筑物使用功能的需要，钢筋混凝土房屋结构超长越来越多，北京昆仑饭店为剪力墙结构总长114m，北京京伦饭店为剪力墙结构总长138m，本人负责设计的南郊庄园二期24#住宅楼(L房型)为剪力墙结构总长70.2m，奉贤现代农业园区1536号地块C区工程办公楼B1、B2为框剪结构总长71.1m，上海金都物资有限公司综合楼—南楼、北楼为框剪结构总长72m，其长宽比L/B均大于了8度和7度设防的5和6的限值。

三、超长建筑抗震措施

本人在上述上海的几个超长工程设计中本着熟悉、了解和吃透规范条文的精神，依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011–2010)3.4.5条1款“当不设置防震缝时，应采用符合实际的计算模型，分析判明其应力集中、变形集中或地震扭转效应等导致的易损部位，采取相应的加强措施。”主要的技术措施有：一、着重抗震概念设计，结构平面布置力求简单、规则、避免刚度、质量和承载力分布不均匀，如：结构平面中周边布置剪力墙、加大角部和周边构件柱和梁的断面尺寸、内部剪力墙和柱在满足轴压比的前提下尽量减小断面尺寸，外刚内柔。可以形象地借用围棋术语总结为：金角银边草肚皮。二、主要是限制结构的扭转效应，如：限制结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移不大于楼层平均值的1.25倍。位移比规范要求的是不宜大于1.2倍，实际工程中特别是超长工程设计中很难满足，即使能满足也是很不经济的。又如：限制结构的抗扭刚度不能太弱，关键是限制结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，即周期比控制在0.9之内，此项要求一般比较容易满足，上述上海的几个超长工程基本控制在0.8~0.85之间。这也从另一方面说明了即使结构的刚度偏心较大，但有足够的抗扭刚度也能限制好结构的扭转效应，足见结构刚扭刚度的重要性。

以上超长工程不设缝采取的一些措施符合2010版《抗规》抗震指导思想，体型复杂的建筑并不一概提倡设置防震缝，即：可设缝、可不设缝时，不设缝。

四、超长建筑抗裂设计难点

建筑超长后常会导致混凝土开裂，《混凝土结构设计规范》(GB 500100–2010)表8.1.1列出了各类混凝土结构伸缩缝的最大间距，目的是为了减小由于温差（早期水化热或使用期季节温差）和体积变化（施工起或使用早期的混凝土收缩）等间接作用效应积累的影响，将混凝土结构分割为较小的单元，避免引起较大的约束应力和开裂。

由于现代水泥标号提高、水化热加大，凝固时间缩短；混凝土强度等级提高、拌合物流动性加大、结构的体量越来越大；为满足混凝土泵送、免振等工艺，混凝土组分变化造成收缩增加，近年由此而引起的混凝土体积收缩呈增大趋势，现浇混凝土结构的裂缝问题比较普遍。

2010版《混规》相比2002版《混规》8.1.1条正文和注解两处用词中的“宜”改为了“可”，由稍有选择转变成了有选择，进一步放宽对结构伸缩缝间距的限制；同时，8.1.3条又表述了如有充分依据和可靠措施，8.1.1条中的伸缩缝最大间距可适当加大。

《上海市住宅设计标准》（DGJ 08-20–2019） 9.0.12条：结构设计时应采取有效措施减少温度作用效应。混凝土结构的建筑长度宜根据其结构型式的不同符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010有关伸缩缝的最大间距的要求。在考虑温度作用及相应措施的情况下，住宅建筑长度的控制要求可以放宽。

五、超长建筑抗裂有效措施

工程研究成果表明，结构混凝土开裂不仅因为混凝土抗拉强度不足，更重要的是变形超过了极限拉伸。混凝土在静荷载作用下，其极限拉伸约在1x10^-4左右，慢速加载时可提高到1.6x10^-4。钢筋混凝土构件在一般配筋率情况下能够提高混凝土的极限拉伸。超长结构设计考虑的主要问题是由变形作用可能引起的裂缝，应采取有效措施控制裂缝。有效措施包括设计措施和构造措施，

计算机技术发展和理论研究已为非荷载作用（混凝土徐变、收缩、结构构件经历的温度变化差异等非直接荷载作用产生的结构变形及由此因变形协调而产生结构约束内力的效应）的理论计算提供了可能。《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）温度作用初次纳入了规范，主要解决温度作用的定义和表达，基本气温、温度作用标准值取值等问题。建筑结构设计的温度作用分析，关注的重点是承载力极限状态而非正常使用极限状态。对超长结构而言，结合本人负责设计的几个超长建筑计算结果也表明了温度作用对结构危害最大的首先是首层竖向构件。由于基础或地下室顶板的约束较大，二层水平构件（梁、板）热胀冷缩时，将对底层柱、剪力墙造成较大的附加弯矩和剪力，尤其是建筑长向端部的墙、柱。最不利的是温升下的底层边柱，温升引起的柱附加弯矩与竖向荷载下的柱弯矩同号叠加，显著增大了边柱的轴心偏心距。其次，温度变化在建筑长向框架梁端产生较大的附加弯矩和剪力，在建筑中部框架梁中产生较大的轴力。温升时引起轴压力，按压弯构件或纯弯构件配筋，温降时引起轴拉力，按拉弯构件配筋。

当结构或构件在温度作用和其他可能同时出现的荷载共同作用下产生的效应可能超过承载能力和正常使用极限状态时，首先应通过采取有效构造措施来减少或消除温度作用效应。工程实践也表明，超长结构采取有效措施后也可以避免发生裂缝。2010版《高规》3.4.13条给出了有效构造措施和施工措施，上海市建委印发的《控制住宅工程钢筋混凝土现浇楼板裂缝的技术导则》(沪建建[2001]第0907号)给出了设计、材料、施工、后期管理等方面的有效措施和要求。这些有效措施对于超长结构设计还是很实用的。

六、工程实例

前文提及的几个超长建筑按照这些有效措施进行设计，从完工和使用了一阶段的工程来看，很少有能观察到的温差裂缝或没有，这其中也有设计人员非常谨慎的超长商品住宅楼。

南郊庄园二期高层住宅24#住宅楼(L房型)：

⑴周期、振型分析

自由振动基本参数

扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期之比

⑵水平位移值及位移比

水平位移值

奉贤现代农业园区1536号地块C区工程高层办公楼B1、B2：

⑴周期、振型分析

自由振动基本参数

扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期之比

⑵水平位移值及位移比

水平位移值

上海金都物资有限公司综合楼—综合楼（物流平台）南楼、北楼：

⑴周期、振型分析

自由振动基本参数

扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期之比

⑵水平位移值及位移比

水平位移值

七、结束语

综上所述，结构设计人员必须熟悉、了解和吃透规范和建设文件条文的真实含义，正确应用和执行规范和文件相关的内容，精心设计，超长建筑设计在抗震问题上完全可以做到安全，在超长结构引起的裂缝问题上可以控制、减少或消除裂缝。

参考文献

(1)《高层建筑混凝土结构技术规程》(GJ 3–2010)

(2)《建筑抗震设计规范》(GB 50011–2010)

(3)《混凝土结构设计规范》(GB 500100–2010)

(4)《建筑结构荷载规范理解与应用》(按GB 50009–2012) 金新阳 主编

(5)《上海市住宅设计标准》(DGJ 08-20–2019)

(6)《控制住宅工程钢筋混凝土现浇楼板裂缝的技术导则》(沪建建[2001]第090

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