建筑結構設計要點及計算模型調整

林 濤，張景禎

1.河北省唐山市規劃建筑設計研究院，河北 唐山 063000 2.九源（北京）國際建筑顧問有限公司，陜西 榆林 750001

1 結構破壞機制分析

1）對于框架結構來說，地震作用下首先在梁端產生朔性鉸，消耗地震能量。隨著強震作用，底層柱底彎矩增大，導致底層柱底最終出現朔性鉸，結構進入失穩狀態成為幾何可變體系。在設計高層結構時，應保證底層柱的抗彎和抗剪強度，以有效地延遲底層柱朔性鉸的出現，提高底層柱的延性。可采取的措施是：對梁固端彎矩進行適當調幅；框架梁的下部鋼筋如不是計算需要和構造要求，以不伸入柱中或不完全錨固在柱中為好。通過人為方式對不同構件設置不同的安全等級；

2）對于剪力墻結構來說，鑒于剪力墻結構的剛度較大，重點設計其抗彎和抗剪強度。在設計剪力墻結構時，為了有效確保剪力墻結構不出現樓層破壞，剪力墻內豎向鋼筋的配筋率不宜過小，避免在大震作用下產生脆性破壞。水平分布筋直徑不宜過小間距不宜過大，否則對混凝土起不到約束作用；豎向鋼筋直徑更不能太細間距不宜過大；對于墻厚大于160mm時，采取雙層鋼筋，而且水平筋應放在豎向筋的外側。在剪力墻的端部以及墻與墻交叉處應該設置暗柱；同時尤其注意剪力墻的與樓板的連接；

3）對于框架-剪力墻結構來說，鑒于框架結構剛度比較小，為了有效確保結構有良好的延性和變形能力，即框架結構設計的重點在于延性，而剪力墻結構的剛度較大，設計中首先遇到的問題是強度設計，包括抗彎和抗剪強度設計，同時也要保證剪力墻有良好的延性。在設計中可采取的措施：剪力墻的數量應比所謂的合理數量要求高一些；平面布置剪力墻時，應采取相對集中和分散布置相結合的原則，要盡量使橫向與縱向剪力墻連成整體構成十字形，T字形或L字形。這樣既可省材料，又可增大結構的整體剛度和穩定性，同時還有利于抗扭。

2 建筑結構體系和結構布置分析

2.1 結構體系選取

對于建筑結構設計時，可選擇的結構體系有框架結構、框架－剪力墻結構、剪力墻結構、框支剪力墻結構、筒體結構、懸掛結構和巨型結構等。設計中選取何種結構，需經過方案比較，這主要比較建筑物的高度、用途、施工、條件以及經濟等。如果擬建建筑物為宿舍，而且高度有比較高，則適宜選取剪力墻結構，這樣便充分結合居住建筑要求足夠多隔墻的要求。當建筑物的底部需要設商店和大開間的門廳時，則適宜采用框支－剪力墻結構。

2.2 結構布置

在建筑體型和結構體系選定后，結構布置時結構設計的重要一環。結構布置應充分考慮到以下要求：結構單元內的結構平面布置盡量做到均勻對稱；各抗側力結構的剛度中心應力求靠近水平作用合力的作用線，以減少扭轉影響；抗震結構體系宜為多道防地震的體系。抗震結構設計時宜少采用裝配式鋼筋混凝土結構作為抗側力結構。筆者結合工程實踐經驗，總結了一些關于建筑結構布置的設計經驗：

1）在建筑體型構思，平面布置和豎向設計階段，建筑和結構設計人員一定要密切配合，相互取長補短，既要充分考慮到建筑物使用合理，造型美觀，又要考慮到結構受力明確，結構設計經濟合理，有利于抵抗水平作用和方便施工等。建筑物的體型對建筑結構的受力和材料消耗又極其重要的作用，在相同的基本風壓作用下，采用圓形平面比采用正方形平面，風荷載可減小40%以上；

2）在建筑物豎向設計上，如能將頂部削成斜面，對抗風和抗震都有利的。另外，為了有效地減小結構自重，優先采用輕質隔墻。當建筑物需進行抗震設計時，其體型應盡量簡單和規則。設計中應優先考慮通過調整平面形狀和尺寸達到盡量采用不設防震縫的方案。當建筑物有較大的錯層，應用防震縫將各部分分成規則，均勻的獨立結構單元。

2.3 多道抗震防線設計原則

絕大多數地震都有前震和余震，這就要求設計時一定要考慮多道防線的問題。在結構平面設計時應有意識地加強某些豎向抗側力結構。例如，在剪力墻結構中，將某幾片剪力墻特別加強其抗剪抗彎能力。強震下，其它剪力墻雖已出現朔性鉸，但加強了的這幾片剪力墻仍然處于彈性階段。又如在框架—剪力墻結構中，讓框架承受更多較多的水平作用。另外，在每榀框架抗側力結構中也有所側重，設計時也應該有意識的對不同的結構構件給予不同的可靠度，而且在構件的抗彎抗剪設計中，不同的部位也應適當不同的安全度。例如，在剪力墻結構設計中，應讓地震能量首先在彎曲變形中耗散掉，從而有效地避免了剪切破壞先于彎曲破壞，即鋼筋混凝土剪力墻的底部抗剪可靠度一定要給夠，應超過一般構件抗剪驗算的可靠度。充分認識各種結構的破壞機制和其朔性鉸出現的順序，對考慮多道防線設計的原則是很有幫助的。

3 結構計算及模型調整

設計參數已經選定的情況下接下來的工作就是結構建模計算和調整修改的工作，這項工作大多數要往返多次才能取得合理的結構模型。

1）初次建模時，結構構件尺寸及技術條件都是以設計經驗和規范確定的，建模完成后便進行結構計算，在結構計算前處理部分，特別要注意計算程序所要求輸入的各項軟件所需的參數，一類是技術參數，一類是條件參數。條件參數是工程本身在特定條件下所具有的；技術參數，主要是軟件內部根據規范或設計常規所需要確定的，例如是否考慮P-Δ效應，選CQC法，選取振型個數等；

2）在計算完成后，要檢查層間位移是否滿足規范要求，如不滿足表明梁柱剛度過小，應加大梁柱尺寸或提高砼強度等級。另外建筑物的高寬比不得超過規范，如框架結構要求小于4。對于第一自振周期T1應是在將結構模型調整合理的情況，在返回重填重算，以求得接近實際的計算結果。《高層建筑混凝土結構技術規程》規定結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比，A級高度建筑不應大于0.9，這也是調整樓面剛度梁柱尺寸的依據；

3）其次要檢查軸壓比是否超規范，如超需調整柱尺寸以及混凝土等級。如柱縱向筋，是否超筋，有沒有辦法配筋，規范要求縱筋凈距不大于200，同時又不得小于50，對角柱中柱最小配筋率如不滿足同樣要調整柱。再次，檢查梁的計算結果信息：縱筋的超筋情況、配箍超筋情況，雖未超筋，但實際是否可配，梁縱向鋼筋要放幾排，每排根數，此兩項是梁尺寸、砼強度等級調整的依據。

4 結論

本文結合筆者從事工程設計實踐經驗，提出建筑結構設計應從概念設計出發來合理選取結構布置，同時對計算模型采取合理的調整，以使得結構更加合理。

[1]王順卿.當前建筑結構設計中概念設計的應用[J].山西建筑，2006(6).

[2]賴運強.地下結構設計的荷載模型、方法的確定[J].中國高新技術企業，2010(5).