關于建筑結構設計中的若干問題進行探討

王永偉

1 建筑結構設計的常見問題

建筑結構的屈服順序，從小震開始屈服，分別經歷中震、大震才可能出現倒塌。在結構設計當中，存在以下兩方面的問題：

1.1 傾覆力矩的承受問題

以建筑框架剪力墻結構為例，剪力墻是建筑結構抗震設防的重要結構部位，通常情況下利用公式

表示結構抗震承受的傾覆力矩，以上公式的Mf、n、m、Vij、hi分別代表基本振型地震作用力下的剪力墻框架結構地震傾覆力、結構層數、框架i層柱數量、第i層第j根框架柱地震剪力、第i層層高。但由于計算模型缺乏實際的工程數據，以致計算的結果不夠準確。

1.2 第二道抗震防線問題

當建筑結構在水平地震的作用力之下，框架部分的剪力計算結果偏小，而了防止框架失去第二道抗震防線的作用，要求總剪力在0.2Vo和1.5Vf，max兩者之間的較小值，可用公式Vf=min{0.2Vo，1.5Vf，max}，其中 Vf、Vo、Vf，max分別代表各層框架承擔的地震總剪力、相對地震作用的標準值結構底部總剪力、地震總剪力中的最大值。

2 建筑結構設計計算分析模型的建立

本文以某70a使用年限的32層住宅建筑為例，該建筑屬于3級抗震級別的剪力墻結構，為了確定該建筑結構抗震設計的相關數據，筆者認為有必要建立計算分析的模型，具體思路如下：

2.1 建模流程

在集成環境中完成建筑結構設計計算分析模型的建模工作，需要賦予模型分析、修改、計算等基本功能。筆者建議針對建筑結構的設計需求，進行實體單元建模，建模的編輯特點與CAD有異曲同工之妙，都能夠借助設計工具，滿足頁面復雜的定義需求，譬如剪力墻荷載計算、剪力墻靜動力分析、剪力墻線性計算、剪力墻非線性計算，這些都是剪力墻在設計方面所需求的靜力、動力、線性、非線性等分析技術，以此建模，不僅能夠滿足計算的速度要求，還能夠使得分析結果趨向于合理可靠。

2.2 建筑結構設計總體模型

案例工程有限模型總共有22735個單元數，以二類場地作為結構模擬條件，分別為7度設防和8度設防的地震作用反應，其結構整體模型為純剪力墻理想化結構，包括層高5m人防地下室1層、層高3m標準層32層（總高度95.970m），建筑結構沿縫對稱，在此將結構左邊部分作為建模分析對象。在計算分析時，簡化結構構件，使其成為殼單元或者空間桿，而這樣模型囊括了7度抗震設防工況和8度抗震設防工況，其中7度抗震設防設計和8度抗震設防設計的基本地震加速度分別為0.15g和0.2g，通過對這兩種不同級別抗震設防標準模型的對比分析，根據分析結果選擇不同的振型結構，以便預測同樣條件下的位移和內力變化狀態。

2.3 計算參數的選取

計算分析模型中所模擬的建筑結構抗震設防度數分別為7度和8度，并分別具備0.15g和0.2g的基本地震加速度，最后選取0.05作為結構阻尼比。以上模型計算參數的選取，由于忽視了隔墻的因素，因此在計算地震反應的時候，需要以0.65的折減系數折減自振周期，以縮短與實際周期的差距。而在發生地震的時候，建筑結構會因為地震的作用力，而出現結構扭轉效應，這將使得地震對結構的破壞作用更為明顯，不利于建筑結構的安全設計。因此，為消除地震作用的扭轉影響，以及避免建筑結構平移振動和扭轉效應引起的耦聯反應，我們需要利用振型分解反應譜法分析建筑結構的地震作用，以此明確抗扭和側振的周期比值，以此判斷結構頂端相對扭轉效應的大小。

3 建筑結構設計計算結果分析

根據建筑結構不同抗震設防烈度和振型階數作為動力分析，并結合相關的規范要求，在滿足建筑結構質量參與系數在90%以上的前提下，提取前12階振型進行計算。

3.1 對比不同振型階數樓層剪力

為了避免忽略高階振型影響的相關數據，高層建筑需要重點關注高階振型，盡可能選擇較長周期的振型，本文借助SAP2000有限元分析軟件，分別抽取若干個振型階數，然后進行分析和對比，最后檢查是否全部滿足振型質量參與系數在90%以上的基本要求，其中需要考量的每個階振型質量參與數量分別為X平移、Y平移、RX平移、RY旋轉、RZ旋轉5個方面。筆者選用10階、11階、12階、13階、15階、20階、25階、30階振計算，發現只要試算可能振型階數取得越多，處于同等振型位置的質量參與系數，累計值就會被越小，而且任何振型都不可能同一時間出現，越低的基本振型參與系數，高階振型就會受到更加明顯的影響。

3.2 不同振型時的周期對比值

為了弄清楚剪力墻受到高階振型的影響程度，筆者選擇了10階、15階、20階、25階、30階振型，然后對比不同振型時的周期，發現選擇振型的階數越大，則振型周期就越大，呈正比的關系，因此建筑結構需要盡可能選擇較長的周期振型，這樣就可以避免高階振型影響的丟失。以上的5種階振型，主要的影響部位集中第1層、第3層、第5層、第28層、第25層、第31層，屬于樓層力，為了得到更加精確的數據，筆者還模擬了7度抗震設防和8度抗震設防，得出具體的高階振型影響下的樓層力大小，然后繪制出7度抗震設防和8度抗震設防的X向、Y向的剪力對比曲線圖，以及簡單分析各樓層剪力墻的X向和Y向彎矩值，發現彎矩值的變化幅度趨于零，譬如7度剪力墻抗震設防Y向剪力，28層的10階、15階、20階、25階、30階振型剪力基本皆為1000，這說明剪力墻抗震設防可以不用考慮彎矩影響。

4 結語

綜上所述，筆者采用的是SAP2000有限元分析軟件，這種軟件的設計程序具有一體化工程，能夠滿足不同建筑結構的設計需求，并將分析各種結構體系的結果全部輸出，得出結構設計的詳細信息，通過上文的研究，基本解決了建筑結構設計的若干問題，對于實際工程具有一定的指導意義。

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