建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

由俊鵬 耿明濤

【摘 要】近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層建筑越來越多，人們對建筑本身的要求也越來越高，而建筑的好壞最重要的一個環(huán)節(jié)就是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文就結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點及問題做了一定的分析，并預(yù)測了建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，僅作參考。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計；概念設(shè)計

【Abstract】 In recent years， with the rapid development of economy， high building more and more， people the requirements of the building itself more and more is also high， and the stand or fall of building one of the most important link is building design. This paper structure design of the characteristics and problems do some analysis， and forecast the development direction of building structure， only for reference.

【Key words】Building structural；Design；Concept design

1.引言：

結(jié)構(gòu)設(shè)計一般在建筑設(shè)計之后，“受制”于建筑設(shè)計，但又“反制” 建筑設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計不能破壞建筑設(shè)計，建筑設(shè)計不能超出結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力范圍。結(jié)構(gòu)設(shè)計決定建筑設(shè)計能否實現(xiàn)，在這個意義上，結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得更為重要。但一種標(biāo)志性建筑建成后，往往建筑師便成為了人們心目中的建造者，為了實現(xiàn)該建筑設(shè)計而付出辛勤勞動一絲不茍的結(jié)構(gòu)師并不為人們所知。但無論如何，設(shè)計一個適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的責(zé)任。

2. 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

2.1 水平荷載成為決定因素

一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。

2.2 軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大；還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進(jìn)行調(diào)整；另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結(jié)果。

2.3 側(cè)移成為控制指標(biāo)

與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

2.4 結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標(biāo)

相對于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧瑏肀ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

3. 高層建筑結(jié)構(gòu)分析的幾種基本假定

3.1 彈性假定。目前工程上實用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實際工作狀況。但是在遭受地震或強(qiáng)臺風(fēng)作用時，往往會產(chǎn)生較大的位移，進(jìn)入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計算內(nèi)力和位移時不能反映結(jié)構(gòu)的真實工作狀態(tài)的，應(yīng)按彈塑性動力分析方法進(jìn)行設(shè)計。

3.2 小變形假定。小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題（P-Δ效應(yīng)）進(jìn)行了一些研究。一般認(rèn)為，當(dāng)頂點水平位移Δ與建筑物高度H的比值Δ/H > 1/500時， P-Δ效應(yīng)的影響就不能忽視了。

3.3 剛性樓板假定。許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計。一般來說，對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是，對于豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)，樓板剛度較小，主要抗側(cè)力構(gòu)件間距過大或是層數(shù)較少等情況，樓板變形的影響較大。特別是對結(jié)構(gòu)底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯。可將這些樓層的剪力作適當(dāng)調(diào)整來考慮這種影響。

3.4 計算圖形的假定。高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計算圖形有三種：（1）一維協(xié)同分析。（2）二維協(xié)同分析。（3）三維空間分析。三維空間分析的普通桿單元每一節(jié)點有6個自由度，按符拉索夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點還應(yīng)考慮截面翹曲，有7個自由度。

4. 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題分析

4.1 地基與基礎(chǔ)方面。

（1）多層房屋建筑無地質(zhì)詳勘報告，僅僅依據(jù)建設(shè)單位口頭或籠統(tǒng)參照附近建筑物的基礎(chǔ)設(shè)計資料就進(jìn)行施工圖設(shè)計。地基與基礎(chǔ)設(shè)計要做到合理，安全適用，設(shè)計人員必須依據(jù)地質(zhì)勘察資料，統(tǒng)一考察多方面因素進(jìn)行基礎(chǔ)類型和上部結(jié)構(gòu)方寧設(shè)計，僅憑地耐力這一數(shù)據(jù)是不完全面的，也是不安全的，更不能盲目地把耐力容許值取得小一些就認(rèn)為成無一失了。

（2）采用換土墊層進(jìn)行軟弱地基處理，不進(jìn)行換土墊層設(shè)計，只憑經(jīng)驗處置。有時設(shè)計者軟弱地基的危害認(rèn)識不足，只是簡單地憑借經(jīng)驗采用砂墊層加強(qiáng)一下承載力，沒有進(jìn)行墊層寬度和厚度計算，既不安全，又不經(jīng)濟(jì)。

（3）民用建筑中柱，梁及基礎(chǔ)的負(fù)荷未按規(guī)范乘以折減系數(shù)。設(shè)計人員設(shè)計多層民用建筑時，在計算梁、柱和基礎(chǔ)的負(fù)荷 時未按現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范舸用荷載乘折減系數(shù)計算其荷 載值，因而荷載值準(zhǔn)確。

（4）現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的裂縫問題。

4.2 從鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板各種受力體系分析，無論是按單向板設(shè)計還是按雙向板設(shè)計，是單跨還是多跨連續(xù)板設(shè)計；無論是板端支承在磚墻上還是支承在過梁或剪力墻內(nèi)，受力狀態(tài)考慮都是局限于樓板平面的應(yīng)力變化（按彎矩配置抵抗正、負(fù)彎矩的受力鋼筋）、板平面的受剪變形。即使是考慮板端嵌固端節(jié)點產(chǎn)生彎矩，也只是考慮板平面彎曲或屈曲所產(chǎn)生的應(yīng)力。在樓板受力體系分析時，對于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間在三維空間中如何分配內(nèi)力、協(xié)調(diào)變形，根本沒有考慮。

4.3 目前不少設(shè)計人員只按單向板計算方法來設(shè)計配置樓板鋼筋，支座處僅設(shè)置分離式負(fù)彎矩鋼筋。由于計算受力與實際受力情況不符，單向高強(qiáng)鋼筋或粗鋼筋使混凝土樓面抗拉能力不均，局部較弱處易產(chǎn)生裂縫。部分設(shè)計人員對構(gòu)造配筋，放射筋設(shè)置不重視或不合理，薄弱環(huán)節(jié)無加強(qiáng)筋。

4.4 連續(xù)梁按單梁進(jìn)行設(shè)計。

這種情況多發(fā)在陽臺邊梁的設(shè)計中。由于邊梁上的荷 重一般較小，沒有引起設(shè)計得的重視，左圖受力分析方便，設(shè)計得把實際應(yīng)為連續(xù)梁的梁按單簡支梁進(jìn)行設(shè)計，致使梁在支座處上部負(fù)筋配置量過少。這樣必然引起梁在支座附近上部受拉區(qū)出現(xiàn)豎向裂縫，進(jìn)而引起梁上部攔板出現(xiàn)豎向裂縫。如果該邊梁長度較長時，問題將會變得更加嚴(yán)重。因為該梁一般直接暴露在室外，受環(huán)境溫度影響較大。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，梁的伸縮受到梁端柱或挑梁的約束，在梁內(nèi)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，該收縮應(yīng)力作用于原已產(chǎn)生的梁上裂縫處，引起梁的支座附近沿整個梁截面四周裂縫貫通，梁承載力降低，直接影響了使用安全。

4.5 懸挑梁的梁高選用過小。

設(shè)計者往往只注意了對梁的強(qiáng)充和傾覆進(jìn)行驗算，而忽略了對梁手撓度的驗算。梁高選用過小，引起梁截面的受壓區(qū)應(yīng)力過高，在正常使用狀態(tài)下，梁截面受壓區(qū)產(chǎn)生非線性徐變。梁撓度隨時間的推移不斷加大。挑梁的變形引起梁板出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度隨著挑梁變形的回大而加寬，影響了房屋的正常使用。據(jù)筆者觀察，這種挑梁的變形發(fā)展到后期，梁支座截面上部受拉區(qū)常常出現(xiàn)較寬的豎向裂縫。受支座附近上部受拉區(qū)常常出現(xiàn)較寬的豎向裂縫。受支座附近剪彎作用的影響，豎向裂縫向下延伸發(fā)展為斜裂縫，此時梁已接近破壞，當(dāng)為托墻挑梁時，梁過大的撓度引起梁上境況體在梁支座附近出現(xiàn)裂縫。裂縫在梁支座處沿斜向延伸，縫愈靠上愈寬。挑梁的截面過小對結(jié)構(gòu)的抗震也很不利。懸挑結(jié)構(gòu)對豎向地震的作用最為敏感。梁高小時，截面的相對受壓區(qū)高度較大，梁的延性減 小，在豎向地震作用下易發(fā)生脆性破壞，失去承載力。

5. 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方向―概念設(shè)計

（1）概念設(shè)計是指正確的解決總體方案、材料使用和細(xì)部構(gòu)造，以達(dá)到合理抗震設(shè)計的目的。概念設(shè)計是根據(jù)抗震設(shè)計的復(fù)雜性，難以精確計算而提出來的一種從宏觀上實現(xiàn)合理抗震，避免無必要的繁瑣計算，同時為抗震計算創(chuàng)造有利條件，使計算分析結(jié)果更能反映地震時結(jié)構(gòu)反應(yīng)的實際情況的設(shè)計方法。采用先進(jìn)的計算理論。空間受力分析，非彈性變形分析，塑性內(nèi)力分析，由加載到破壞的全過程受力分析，時程分析，最優(yōu)化設(shè)計，方案優(yōu)化等先進(jìn)科學(xué)的設(shè)計方法、設(shè)計理論將得到越來越多的應(yīng)用。

（2）今后的設(shè)計除了提高結(jié)構(gòu)抗力，還應(yīng)考慮盡可能的降低作用效應(yīng)。因為降低作用效應(yīng)，對增加結(jié)構(gòu)安全性，降低造價，節(jié)約國家投資意義重大。使用具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、環(huán)保等特點的新型建材。建筑物的自重在結(jié)構(gòu)計算中占很大的比重，使用輕質(zhì)、高強(qiáng)的建材，將使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)生革命性的變化。

[文章編號]1619-2737（2018）06-15-899