關于建筑工程結構設計優化的分析

羅潔

【摘 要】結構設計是一項號業性極強而又責仟極大的工作。安全、經濟、適用、美觀、便于施工是進行結構設計的原則。但在實際的設計工作中，常常因為各種原岡，對規范理解或是方法運用上出現差錯。作為結構設訓計人員，應加強對規范和理論的學習和了解，充分掌握規范內容，加強對錯誤的辨別能力，使結構設計更加合理和優化。

【關鍵詞】建筑結構；結構設計；方案優化；常見問題分析

Analysis on Structural Design Optimization of Construction Engineering

Luo Jie

（Shenzhen City International Building Design Co.， Ltd. Xi'an Branch Xi'an Shaanxi 710000）

【Abstract】Structural design is a very strong job and a great job. Safe， economical， applicable， beautiful， easy construction is the principle of structural design. But in the actual design work， often because of the various kinds of original， the normative understanding or the use of methods on the error. As a structure， it is necessary to strengthen the study and understanding of norms and theories， to fully grasp the contents of the norm， to strengthen the ability to distinguish the wrong， so that the structural design is more reasonable and optimized.

【Key words】Building structure；Structural design；Program optimization；Common problem analysis

1. 建筑專業與結構專業的協調

（1）建筑設計與結構設計是兩個最重要的環節。建筑專業是龍頭專業，結構設計一股在其后進行。二者存在互相協調、互相制約的關系。隨著設計理念的不斷進步，越來越多大型、新型的建筑物出現在人們的眼前。這對工程師提出了更高的要求，不僅要求做出一項好的結構設計，而且有必要在方案設計階段介入，及時發現問題，提出合理的建議。在建筑設計中，少數建筑師總要求結構必須絕對服從建筑，片面追求新、奇、特。往住忽視基本的力學規律，導致結構體系不穩定、不安全。所以在建筑方案設計階段，結構工程師應及時介入，運用自身的專業技術水平與建筑師溝通、配合，相互協調，才能避免做出不合理的設計。

（2）建筑方案設計往往側重于平面功能、立面造型而忽略概念設計。如在住宅設計中，建筑師根據戶型的布置確定柱網，經常造成柱網極不規則，框架不能拉通，甚至有些工程沒有一榀框架拉通，抗震性能極差。高層建筑豐要以水平荷載為主，要求體型簡單規則，所以結構體系的選型和布置要最有利于抗震和抗風要求，同時結構構件還要滿足剛度和強度要求，這樣便于建筑設計形成一定的約束和限制。如高層建筑中，將樓梯、電梯井置于建筑物端角部，造成質心與荷載中心偏離太大，容易產生扭轉效應，造成結構裂縫和局部破壞，這些都要求結構工程師及時提出合理化建議，優化方案。

2. 結構專業常見問題分析

2.1 概念設計。

（1）概念設計是結構設計人員運用所掌握的知識和經驗，從宏觀上決定結構設計中的基本問題，它貫穿于整個設計過程中。在高層建筑中，抗風、抗震是設計的重要環節，結構體系的選擇直接關系到平面布置、立面造型，施工工期和工程造價。結構工程師必須概念清楚，定性準確，能很快地比較和選擇出最佳結構方案，乃至估算出構件的初步尺寸，對后續的設計工作打下良好的基礎。

（2）對鋼筋混凝土結構應做到平面簡單、規則，剛度和承載力分布均勻，嚴禁采用嚴重不規則的平面布置。避免采用削弱樓面剛度的平面（比如樓層大開洞、外伸翼塊太長、塊體之間成“縮頸”連接。凹槽缺口太深等）；其次要從結構布置和配筋構造上給予保證，對于使用功能確實必要的，或者建筑效果十分優越的建筑設計，如果其平面無法完全符合剛性樓板的假定，那么在結構設計時可以通過增設連系梁（板）、洞口邊加設暗梁邊梁、提高連系梁（板）或暗梁邊梁的配筋量、采用斜向配筋或雙層配筋形式等方法，盡量滿足剛性樓板的基本假設。對復雜結構可以設置防震縫把它分割成各自規則的獨立結構單元。結構設計應有多道防線，避免采用單跨框架。抗側力結構應雙向布置以便各自承擔來自平行于該抗側力結構平面方向的地震力，且兩個抗側力構件剛度應相匹配。框剪體系的各抗側力結構，要形成空間協同工作狀態。除了控制抗震墻之間，樓、屋蓋的長寬比及保證抗震墻體本身的剛度外，還需采取措施，保證樓、屋蓋的整體性及其與抗震墻的可靠連接。

2.2 模型假定。

在結構設計中，應根據結構的實際情況確定，所選的結構模型應能較準地反映結構中各構件的實際受力情況。結構計算中，計算簡圖選取的正確與否，直接影響到計算結果的準確性。在設計中必須認真對待每一個步驟，但有時會出現圖省事隨意簡化設計的情況，計算假定與實際結構不符。其中比較典型的是基礎拉梁的處理。一般情況下，基礎拉梁設置在基礎高度范圍內，作為基礎的一部分，此時結構的底層計算高度應取基礎頂面至一層樓板頂面的高度。基礎拉梁僅考慮承擔上部墻體荷載，構造滿足普通梁的要求即可。當按規范要求需設置基礎拉梁時，其斷面和配筋可按構造設計，截面高度取柱中心距的l/12～l/18，縱向受力鋼筋取所連接的柱子的最大軸力設計值的10%作為拉力來計算。但是，當基礎埋深過大時，為了減少底層的計算高度和底層的位移，設計者往往在±0.000以下的某個適當位置設置基礎拉梁。此時，基礎拉梁應作為一層輸入，底層計算高度取基礎頊面至基礎拉梁項面的高度，二層計算高度應取基礎拉梁頂面至一層樓板頂面的高度。拉梁層無樓板，應開洞處理，并采用總剛分析方法進行計算。基礎拉梁截面及配筋按實際計算結果采用。若因此造成底層框架柱形成短柱，應采取構造措施予以加強。如某辦公樓，五層框架結構，首層層高3.9m，以上各層3.3m，設計采用獨立基礎。基礎埋深4.0m，在.0.050處設構造拉梁。如果計算時底層柱計算長度按照底層層高取3.9m，認為框架柱嵌固在拉梁頂面。按照五層框架進行設計，這是不妥的。因為按照構造設計的拉梁線剛度太小，無法平衡柱腳彎矩，不能作為框架柱的嵌固端。這樣顯然與設計假定不符，合理做法是將基礎至拉梁范圍設為一層，按照地下室輸入計算，同時計入底層墻體荷載，拉梁按照框架梁的要求進行設計，基礎至拉梁范圍的短柱應加強。endprint

2.3 程序計算中的問題。

目前的結構設計均采用結構分析軟件計算。一個工程需輸入大量的計算數據，出錯的機會很多，如果輸入數據有問題，不管計算結果有多正確，配筋多合理部是無用功。所以，設計人員必須判斷結果的正誤后，才能將結果用于工程設計中。計算參數的選擇，要根據工程的具體情況確定。計算結果應從合理性、對稱性、漸變性來判斷。設計較為合理的結構，一般不應有太多超限截面，柱墻基本為構造配筋，梁基本不超筋，剪力墻符合截面抗剪要求。對稱結構在對稱荷載作用下，其對稱點的計算結果應相同，如有反常應檢查輸入數據的正確性。豎向剛度均勻的結構，其內力、位移等計算結果也應均勻變化，不應有太大變化。

2.4 構件設計中的問題。

高層建筑基礎的整體性、基礎與上部結構的可靠連接是結構整體性的重要保證。高層建筑中，樓蓋對于上部結構的整體性起到非常重要的作用。樓蓋結構應能提供足夠的面內剛度和抗力，并與豎向于結構有效連接。樓蓋作為水平隔板，不僅聚集和傳遞地震力到各個豎向抗側力子結構，而且能使這些子結構協同承受地震作用，特別是當豎向抗側力子結構的布置不均勻，布置復雜或各抗側力子結構水平變形特征不同時，整個結構就要依靠樓蓋來使各抗側力子結構協同工作。在設計中不能認為，在多遇地震作用計算中考慮了樓蓋平面內彈性變形影響后，就可以削弱樓蓋體系。對空曠結構、平面狹長或平面不規則結構，樓蓋開大洞口結構更應該特別注意。

2.4.1 基礎設計：應充分考慮場地地質情況，上部結構類型、施工條件和相鄰建筑物的關系，不是僅憑地基承載力來確定。另外，變形控制必須引起重視，地基變形的差異（不均勻沉降）對結構設計尤為重要，它是導致上部結構開裂的重要原因。對于體型復雜，荷載差異大的高層建筑主樓與裙房不設縫時，應通過沉降計算，采用不同的基礎型式和構造措施來調節沉降差使其滿足要求。

2.4.2 框架設計：“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點強錨固”的設計原則應貫穿整個框架設計的始終。框架柱截面高度不能設計過小，特別是大跨度結構，框架柱線剛度須大于梁線剛度的1.1倍。對于高層建筑，框架柱最小截面不小于350×400mm，且必須滿足水平錨固的要求。框架柱配筋在整個主體結構中所占的比重相對較小，而又是特別重要的構件，配筋宜在電算結果的基礎上適當放大，角柱放大1.5倍，邊柱放大1.3倍，中柱放大1.1倍，其縱筋最小配筋率宣比規范提高0.2%，且縱向鋼筋最小直徑≥16mm。箍筋宜采用符合抗震性能的HRB335或HRB400級鋼筋。框架柱為短柱，箍筋應全長加密。《混凝土結構設計規范》規定，剪跨比λ≤2框架柱應沿柱全長加密箍筋且箍筋間距不應大于100mm，樓梯間周圍的框架柱一般為短柱，還有錯層房間周圍也有可能出現短柱，對這些部位的框架柱應該引起注意。

2.4.3 框架梁是框架結構在地震作用下的主要耗能構件，必須保證足夠的延性，過去規定主梁截面取計算跨度的1/8～1/12，梁高對層高的影響較大。《高規》6.3.1條規定：框架梁主梁截面可按1/10～1/18確定，而采用扁寬梁可取至計算跨度的1/15～1/18，但應驗算撓度和裂縫。在截面取值合理的情況下，可降低層高，帶來更好的經濟效益。梁配筋級差不應太大，以不超過兩級為宜。二級次梁的上部負筋不能太大，以免對其承受的主梁產生過大的扭矩而引起開裂。對于屋面邊梁，由于其上女兒墻或挑檐引起 的扭矩，應按彎剪扭構件計算，這類梁應加強配筋（箍筋加密，設置抗扭腰筋）。

（1）樓梯：汶川大地震表明，樓梯是重要的逃生通道。在樓梯的設計中要提高其安全儲備。小柱抬梁架設梯板是最為常見的樓梯做法，平臺小柱是關鍵支承點，其截面和配筋不能過小，至少取200x350，否則極容易由于施工原因引起鋼筋偏位。小柱下支承梁內應設吊筋和加密箍筋。樓梯間的填充墻應與框架梁柱牢固拉接，以免震害發生時，墻體墜落壓垮樓板。

（2）裝飾構件：建筑物的裝飾線條、挑檐板、女兒墻、屋頂框架與主體結構的連接應可靠。對于幕墻、金屬欄桿應在梁、柱內做好預埋件的埋設，不得采用不安全的方法后期固定，以免帶來隱患。屋面挑檐結構設計時要考慮滿水時的荷載，受力鋼筋在邊粱內的錨固要重視，屋面女兒墻較高時不得采用砌體結構，應采用鋼筋混凝土墻，必要時還要加設附壁柱。

（3）由于建筑的需要，有時需要框架梁外挑，且梁下設置鋼筋混凝土柱。在柱的內力和配筋計算中，有些設計人員對其受力概念不清，誤認為此柱為構造柱，并且其配筋為構造配筋，懸臂梁也未按計算配筋，這樣有可能導致水平荷載作用下承載力不足，為事故的發生埋下隱患。實際上，在結構的整體計算中，此柱為偏心受壓構件，柱與梁端交接處類似于框架梁、柱節點，應考慮懸臂梁梁端的協調變形。所以對于此柱應作為豎向構件參與結構的整體分析，并且柱與梁端交接處應按框架梁、柱的節點處理。

（4）柱截面尺寸：柱的平均剪應力太大，會使柱產生脆性的剪切破壞。平均壓應力或軸壓比太大會使柱產生混凝土壓碎破壞。

2.4.4 為了使柱有足夠的延性；柱截面尺寸應符合以下要求：柱截面的長邊應小于柱凈高的l/4，且柱截面的寬度不宜小于300 mm；當剪壓比保持較低時。可獲得較好的延性，為此柱端截面的平均剪應力一般宜小于3N/mm2。

（1）柱縱向鋼筋的配置：柱中縱向鋼筋宜對稱配筋；為了保證柱有足夠的延性，柱的最小配筋率必須滿足《抗震規范》要求；縱向鋼筋的接頭，一級框架應采用焊接接頭；二級宜采用焊接接頭，而底層柱根應焊接：三級可采用搭接，而底層柱根宜焊接；直徑大于25mm的鋼筋必須采用焊接。在縱向鋼筋連接區段內宜加密箍筋，防止縱向鋼筋的壓曲，增加粘結強度。

（2）柱的箍筋：在地震力的反復作用下。柱端鋼筋保護層往往首先碎落，這時，如無足夠的箍筋約束，縱筋就會向外膨曲，柱端破壞。箍筋對柱的核心混凝土起著有效的約束作用，提高配箍率可以顯著提高受壓混凝土的極限壓應變，從而有效增加柱的延性。因此設計人員應遵照《抗震規范》對框架柱的箍筋構造要求。

3. 結語

在結構設計中還存在許多稍不注意就出現失誤的問題，作為結構設計人員，應加強對規范和理論的學習和了解，充分掌握規范內容，加強對錯誤的辨別能力，使結構設計工作中更加合理和安全。endprint