淺談建筑工程結構設計的優化問題

徐平

【摘要】城市現代化建設使得我國高層建筑不斷出現，并且由于人們的要求其建筑施工的需要使得建筑技術的難度也隨之增加。這就必須要對建筑工程的結構設計進行改進，使其發揮出更大的作用。基于此，本文對建筑工程結構設計的優化問題進行了探討。

【關鍵詞】建筑工程；結構設計；優化

隨著高層建筑高度的增加，高層建筑的側向位移迅速增大，因此設計高層建筑時不經要求結構有足夠的強度， 而且要求結構有適宜的剛度，使結構有合理的自振頻率等動力特性，并使水平力作用下的層位移控制在一定范圍之內。同時，為了避免高層建筑在大震下倒塌，必須在滿足必要強度的前提下，通過優良的概念設計和合理的構造措施，來提高整個結構、特別是薄弱層的變形能力，來保證結構具有足夠的延性。因此，在結構設計中應綜合考慮這些因素，合理設計，使結構具有足夠的強度、適宜的剛度、良好的延性。

1 建筑結構的相關分析

在建筑結構工程中，對其需要采取內力、位移等各方面的計算，在計算時需要從不同的程度進行相關方的計算，并完善計算方式以取得理想的數據。當前，對于結構整體分析可進行以下假定：

1.1 結構材料分析

線彈性對建筑結構的內力、位移假定時，一般想象成結構與構件處在彈性工作形勢下，根據彈性理論進行研究，但框架梁及連梁等構件需要對局部塑性變形引起的內力重分布進行研究。對計算地震環境下的建筑結構的薄弱層變形時選擇彈塑性分析方法。

1.2 剛性樓板分析

在計算高層建筑的內力與位移過程中通常假定樓板對自身平面內是無限剛性，平面外剛度極小且排除在計算外，當假定是剛性樓板時，在設計過程中就需要運用措施確保樓板平面內的整體剛度。

1.3 小變形分析

在所有方法中是經常運用的基本假定。但專家們在研究非線性問題（P—Δ 效應）后得出了新的結論，通常在頂點水平位移Δ 與建筑物高度H 的比值Δ/H>1/500 時，就應該將P—Δ 效應考慮在計算內。1.4 計算圖形分析高層建筑結構體系整體分析采用的計算圖形主要包括了：一維協同分析、二維協同分析、三維空間分析。

2 建筑工程結構設計出現的問題及優化

2.1 基礎拉梁設計的優化

多層框架房屋基礎埋深值大時，為了減速小底層柱的計算長度和底層的位移，可在±0.000 以下適當位置設置基礎拉梁，但不宜按構造要求設置，宜按框架梁進行設計，并按規范規定設置箍筋加密區。但就抗震而言，應采用短柱基礎方案。一般說來，當獨立基礎埋置不深，由于地基不良或柱子荷載差別較大，根據抗震要求，可沿兩個主軸方向設置構造基礎拉梁。基礎拉梁截面寬度可取柱中心距的1/20～1/30，高度可取柱中心距的1/10～1/15。構造基礎拉梁的截面可取上述限值范圍的下限，縱向受力鋼筋可取所連接柱子的最大軸力設計值的10%作為拉力或壓力來計算，當為構造配筋，要滿足最小配筋率。

2.2 框架梁、柱箍筋間距的優化

對不同抗震等級的框架梁，柱箍筋加密區的最小箍筋直徑和最大箍筋間距做了明確的規定。根據這些規定，工程習慣上常取梁、柱箍筋加密區最大間距為100mm，非加密區箍筋最大間距為200mm。電算程序總信息中通常也內定梁、柱箍筋加密區間距為100mm，并以此為依據計算出加密區箍筋面積，由設計人員要據規范確定箍筋直徑和肢數。但是，在程序內定的條件下，當框架梁的跨中部位有次梁或有較大的其他集中荷載作用卻僅配兩肢箍筋，此時可適當增加箍筋直徑或加密箍筋間距。對于框架柱，當框架內定柱加密區箍筋間距為100mm 時，在某些情況下，亦可能因非加密區箍筋間距采用200mm 引起配箍不足。因此，我們也應適當增加箍筋直徑或加密箍筋間距。這里需要指出的是，梁、柱箍筋非加密區配箍驗算時可不考慮強剪弱彎的要求，即剪力設計值取加密區終點處外側的組合剪力設計值，并且不乘以剪力增大系數。

2.3 獨立基礎設計荷載取值的優化

鋼筋混凝土多層框架房屋多采用柱下獨立基礎，當地基主要受力層范圍內不存在軟弱粘性土層時，不超過8 層且高度在25m 以下的一般民用框架房屋或荷載相當的多層框架廠房，可不必進行地基和基礎的抗震承載力驗算。但這些房屋在基礎設計時應考慮風荷載的影響。因此，在鋼筋混凝土多層框架房屋的整體計算分析中，必須輸入風荷載，不能因為在地震區高層建筑以外的一般建筑風荷載不起控制作用就不輸入；另一種情況是，在設計獨立基礎時，作用在基礎頂面上的外荷載柱腳內力設計值，只取軸力設計值和彎矩設計值，無剪力設計值，或者甚至只取軸力設計值。

2.4 地下室層數輸入的優化

多層框架結構房屋也有設置地下室的。由于隔墻少，常采用筏板式基礎。在電算時，應將地下室層數和上部結構一起輸入，并在總信息中按實際的地下室層數填寫。這樣，計算地基和基礎底板的豎向荷載可以一次形成，并且在抗震計算時，程序會自動對框架底層柱底截面的彎矩設計值乘以增大系數。同時通過對層間側移剛度比的分析比較，還可以正確判斷和調整房屋的嵌固位置，并采取相應的抗震構造措施，保證樓板有必要的厚度和最小配筋率等。當結構表現為豎向不規則時，不僅要驗算薄弱層，而且還要對薄弱層的地震剪力乘以1.15的增大系數。如果在結構總體計算中，總信息填寫的地下室層數少于實際輸入的層數，彎矩設計值增大系數將會乘錯位置，從而在發生地震時，會使極易發生震害的底層柱底部位因抗震能力降低而破壞。

2.5 框架計算簡圖的優化

無地下室的鋼筋混凝土多層框架房屋，獨立基礎埋置較深，在-0.30m左右設有基礎拉梁時，應將基礎拉梁按層1 輸入。例如：某項目為3 層鋼筋混凝土框架結構，丙類建筑，建筑場地為Ⅱ類；層高3.2m，基礎埋深1.0m 基礎高度0.7m，室內外高差0.30m。在7 度地震區該工程框架結構的抗震等級為三級。設計者按3 層框架房屋計算，首層層高取3.5m，即假定框架房屋嵌固在-0.30m 處的基礎拉梁頂面；基礎拉梁的截面和配筋按構造設計；基礎按中心受壓計算。顯然，選取這樣的計算簡圖是不妥當的。當設拉梁層時，一般情況下，要比較底層柱的配筋是由基礎頂面處的截面控制還是由基礎拉梁頂面處的截面控制。考慮到地基土的約束作用，對這樣的計算簡圖，在電算過程中，應將基礎拉梁按層1輸入，基礎拉梁輸入墻荷，配筋按電算結果設計。

2.6 基礎拉梁層的計算模型的優化

基礎拉梁層無樓板，用TAT 或SATWE 等電算程序進行框架整體計算時，樓板厚度應取零，并定義彈性節點，用總剛分析方法進行分析計算。有時雖然樓板厚度取零，也定義彈性節點，但未采用總剛分析，程序分析時自動按剛性樓面假定進行計算，與實際情況不符。房屋平面不規則，要特別注意這一點。

2.7 結構計算中幾個重要參數的優化

所有的計算機計算結果，應經分析判斷確認其合理、有效后方可用于工程設計。通常情況下，計算機的計算結果主要是結構的自振周期、樓層地震剪力系數、樓層彈性層間位移（包括最大位移與平均位移比）和彈塑性變形驗算時樓層的彈塑性層間位移、樓層的側向剛度比、墻和柱的軸壓比、柱底內力設計值、地震傾覆力矩與總地震傾覆力矩的比值及超筋超限信息等等。為了分析判斷計算機計算結果是否合理，結構設計計算時，除了有合理的結構方案、正確的結構計算簡圖外，正確填寫抗震設防烈度和場地類別，合理選取電算程序總信息中的其他各項參數也是非常重要的，這些參數要按照電算程序軟件的有關規定設置，使結構設計更加合理。

結語

總之，隨著高層建筑進一步的發展，滿足高層建筑的形式、材料、力學分析模型都將日趨復雜且多元化。通過對建筑工程的結構進行優化設計處理，可以更好的實現建筑結構設計的整體優化，從而達到經濟、科學及合理的設計要求。