建設部和上海市的高層建筑鋼結構設計規(guī)范(定)的制訂,標志著我國高層建筑鋼結構設計理論的發(fā)展已進入應用階段。但我國高層建筑鋼結構設計理論的研究畢竟起步較晚,同時設計經驗也不足,因此不可避免地存在一些問題。

(一)設計方法方面存在的主要問題

目前我國高層建筑鋼結構的設計步驟為:①按彈性方法計算結構各構件內力;②按彈塑性方法驗算各構件的極限承載力。顯然,上述結構內力計算方法與結構承載力驗算方法不匹配,一般高層鋼結構達到承載力極限狀態(tài)時,已進入彈塑性變形階段,此時結構內力要重新分布,即與彈性狀態(tài)時結構內力的分布不同,因此按目前方法設計,高層鋼結構各構件的可靠度并不是實際可靠度,也不能保證各構件承載力可靠度的一致性。

(二設計指標方面存在的主要問題

1.高寬比限值問題

目前我國規(guī)范對地震區(qū)高層鋼結構建筑的高度比建議限值為純鋼結構為6,鋼一混凝土混合結構為5。然而我國在建的兩幢最高建筑(均為鋼一混凝土混合結構)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。

我國現行規(guī)范關于高層建筑高寬比的限制主要是根據我國巧om以下高層混凝土結構提出的,是否適于超高層建筑,特別是超高層鋼結構建筑,還有待于進一步研究。

2.層間變形限值問題

限制層間變形目的在于:①防止非結構構件(如隔墻、幕墻等)的破壞:②保證結構一般能滿足強度、穩(wěn)定性等要求。其中第二個目的在確定結構方案和進行結構初步設計時是有實際意義的。

我國規(guī)范對高層鋼結構抗風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構的實際計算層間變形難于滿足規(guī)范要求,造成不少設計不滿足規(guī)范要求。可見,我國目前高層鋼結構設計標準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,就應嚴格遵守,以維護我國工程建設法規(guī)的嚴肅性。

此外,我國目前應用較多的高層鋼一混凝土混合結構的層間變形限值也需盡早研究解決。

(三)抗風設計方面存在的主要問題

1.風振系數問題

風振系數是我國現行建筑荷載規(guī)范計算風載時所需用到的一個重要系數,該系數的值對風載值有較大的影響。確定風振系數的關鍵是結構阻尼比的確定。我國目前確定高層建筑鋼結構風振系數時所采用的阻尼比是按已建高層鋼結構建筑在微振下所獲取的阻尼比實測值確定的,而高層建筑抗風設計所取的風載是30一100年一遇的大風荷載,在這樣的風載下高層建筑鋼結構的振動將不是微小振動,而是有較大位移的振動,而大位移振動與微振的結構阻尼比是不同的,一般前者比后者大。而阻尼比增大,將使風振系數減小。因此目前我國進行高層建筑鋼結構抗風設計所取的風振系數可能偏大。

2.人體舒適度問題

高層建筑在強風作用下由于脈動風的影響將產生振動,這種振動有可能使高層建筑內生活或工作的人在心理上產生不舒服感,從而影響建筑物的正常使用。由于風是一種經常性的荷載作用,因而有必要將風引起的高層建筑的振動限制在人體舒適的感覺范圍之內。高層建筑鋼結構的剛度相對較小,故高層鋼結構建筑的人體舒適度問題更為嚴重,因此在建設部和上海市制訂的高層建筑鋼結構設計規(guī)程(定)中,均要求驗算人體舒適度。然而,雖然在規(guī)程(定)中對如何驗算高層鋼結構建筑的人體舒適度做了具體規(guī)定,但驗算中的一些間題并沒有很好解決。例如:驗算準則間題,目前雖公認可采用高層建筑振動的加速度作為人體舒適度的控制標準,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時護的加速度限值,是參照西方國家的標準規(guī)定的,不一定適用于中國人的身體情況;還有風作用下高層建筑鋼結構振動加速度的計算方法以及進行驗算人體舒適度時取多少年重現期的風載進行計算等均需進一步研究。

(四抗展設計方面存在的主要問題

1.設計反應譜問題

設計反應譜是采用振型分解反應譜法進行結構抗震計算的基礎,由大量地震反應譜的統計平均確定。盡管地震反應譜的計算理論是經典的,只要地震動記錄準確,獲得的地震反應譜也將準確。但是,由于強震記錄儀構造的限制,現有的很多強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算的地震反應譜在長周期段將不真實(值偏小)。由于高層建筑鋼結構的自振周期較長(如京廣中心大廈、金茂大廈、地王大廈的基本周期均超過65),地震反應譜長周期段的失真對高層鋼結構建筑的影響將較大。目前上海市標準提供了一個周期達105的設計反應譜,其計算選用的地震記錄在105以內的周期成份是否完整,需嚴格考證;而建設部標準通過人為調整設計反應譜長周期的譜曲線來保證高層建筑鋼結構抗震設計的安全性,其可靠性尚需進一步驗證。

2.彈塑性地震反應計算問題

在上海市和建設部的標準中,均要求進行罕遇地震下高層鋼結構的彈塑性變形驗算。目前設計院較難遵循這一要求進行高層鋼結構抗震設計,主要原因是國內尚無實用的高層鋼結構的彈塑性地震反應計算程序,特別是缺乏能夠反映高層鋼結構在強烈地震中真實狀況的空間彈塑性地震反應分析軟件。

3.鋼一混凝土混合結構抗震設計間題

國外鋼一混凝土混合結構很少在地震區(qū)應用,而我國的高層建筑鋼結構卻較多地采用了這種結構形式。由于我國是一個多地震國家,而國際上(包括我國)很少開展鋼一混凝土混合結構的抗震研究,因此如何確定這種結構的抗震設計原則、設計指標和設計方法都是急待解決的間題。

(五)抗火設計方面存在的主要問題

鋼結構不耐火,溫度為400℃時,鋼材的強度將降至原強度的一半,溫度達到600℃時,鋼材基本喪失全部強度。而高層建筑火源多,火災荷載密度大,很容易失火,且失火后容易成災。由于“煙囪”效應,高層建筑火災一般較難控制。因此,高層鋼結構的抗火設計極為重要。

由于高層鋼結構建筑80年代后才在我國興建,高層鋼結構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構設計規(guī)程(定)中的抗火部分,主要照搬國外的設計方法與設計規(guī)定。其設計過程為:根據常溫下結構的荷載狀態(tài)確定結構各構件的內力,再根據此內力與構件在高溫下的承載力(常通過試驗確定)確定各構件的耐火時間極限或所需防火被覆厚度。這種設計方法存在如下嚴重缺陷:①未能考慮溫度變形及應力的影響;②未能考慮高溫下結構內力重分布的影響,即高溫下結構各構件的內力不同于常溫下結構各構件的內力;③未能考慮各構件相互作用的影響,即結構某一構件達到極限狀態(tài)并不意味著整體結構達到極限狀態(tài)。